近日，在量子科学与工程研究院院长俞大鹏的带领下，研究员徐源与副研究员刘松合作，在针对光子数福克态的耗散工程量子控制方向取得重要实验研究进展。研究团队在实验上开发了级联选择性光子数增加操作，实现对微波谐振腔中福克态的长时间稳定保持，首次展示了通过对多光子损耗错误的纠正来保护量子态信息。相关研究成果以“Autonomous Stabilization of Fock States in an Oscillator against Multiphoton Losses”为题，于2024年5月14日在线发表于国际顶尖物理学术期刊《物理评论快报》上。

在超导微波谐振腔中，福克态是具有确定光子数的非经典量子态，其在量子光学、量子精密测量、量子信息科学等领域具有非常广泛的应用前景。然而，由于量子态和外界环境之间的不可控耦合，福克态在进行量子存储和操控的过程中不可避免地发生光子损耗错误，进而限制福克态的实际应用潜力。如何克服多光子损耗错误并保护福克态信息是该领域的一个重要难题。

图1. 级联选择性光子数增加操作的原理示意图

在该项工作中，研究团队通过在超导量子电路系统中构建级联选择性光子数增加操作，成功实现克服福克态的多光子损耗错误，解决了这一难题。该操作是利用辅助超导量子比特同时与存储微波谐振腔和耗散微波谐振腔耦合，通过施加两组微波频率梳脉冲驱动，实现将存储腔中的光子丢失错误信息转移到耗散环境，进而完成对多光子福克态的长时间自动稳定生成。实验结果表明，这种耗散工程量子控制方法，可以有效地克服多光子丢失错误，实现自动稳定生成多光子福克态，并且可以保持约10毫秒。此外，研究团队利用开发的耗散工程量子控制方法实验展示了对光子态二项式编码的逻辑量子比特的非幺正重置量子操作。

图2.耗散工程量子控制克服多光子损耗错误的实验结果

这项创新成果开发了基于耗散工程的量子控制新手段，不但可以进一步推广应用到微波和光学光子、机械振子和声波声子等体系，同时有望在未来量子光学、量子精密测量和量子纠错等领域发挥重要的应用。

在该研究工作中，南方科技大学量子科学与工程研究院为论文第一单位，研究员徐源和副研究员刘松为论文共同通讯作者，访问学生李赛和南科大物理系博士生倪忠初为论文共同第一作者，俞大鹏为论文最后作者。该研究工作得到了广东省科技厅、深圳市科创委、国家自然科学基金委和南方科技大学等单位的大力支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.203602

供稿：量子科学与工程研究院

通讯员：董元浩

编辑：任奕霏