双量子点与腔体强耦合的新物理模型

量子点是一种人造的纳米结构，它可以限制电子在三个空间维度上的运动，从而形成离散的能级。量子点可以用来实现量子比特，也就是量子计算中的基本单元。量子比特可以处于0和1的叠加态，从而具有比经典比特更强大的信息处理能力。

为了实现量子计算，我们需要能够操控和读出量子比特的状态。一种常用的方法是利用电磁场与量子比特的相互作用。例如，我们可以用微波场来驱动量子比特之间的转换，或者用谐振腔来增强量子比特与外界的耦合。这种基于电磁场的操控和读出方案被称为电路量子电动力学（circuit quantum electrodynamics，cQED）。

在cQED系统中，通常假设腔体与量子比特之间的耦合是弱到中等程度的，也就是说，腔体的频率远大于耦合强度。在这种情况下，我们可以用所谓的色散耦合近似来描述系统的行为。色散耦合近似的基本思想是，腔体的频率会根据量子比特的状态而发生微小的变化，从而导致腔体输出信号的相位或幅度发生变化。通过测量腔体输出信号，我们就可以间接地读出量子比特的状态。

然而，在一些情况下，腔体与量子比特之间的耦合可能会非常强，甚至超过腔体本身的频率。在这种情况下，色散耦合近似就不再适用了，因为腔体和量子比特之间会发生强烈的能量交换和干涉。这种强耦合情况下的cQED系统具有许多新奇和有趣的物理现象，例如真空拉比振荡、自旋-光超辐射、多光子跃迁等。

在本文中，我们将介绍一项最新的实验研究，它探测了两个受驱动的双量子点与腔体强耦合的系统。双量子点是由两个相邻的量子点组成的结构，它可以用来实现两个量子比特。通过调节两个量子点之间和外界电压之间的势垒高度，我们可以控制两个电子在双量子点中的分布和隧穿概率。双量子点可以被视为一个人造分子，它具有类似于原子分子能级结构和选择定则等性质。

在实验中，研究人员使用了一个由两个双量子点和一个微波谐振腔组成的cQED系统。他们通过调节外加的磁场和电压，实现了对双量子点的能级结构和与腔体的耦合强度的精确控制。他们还用一个单频微波源来周期性地驱动其中一个双量子点，从而产生了一个时间依赖的哈密顿量。通过探测腔体的微波响应信号，他们发现了一些非常有趣的物理现象，例如受驱动双量子点与腔体之间的弗洛克态、两个双量子点之间的能级交叉和反交叉、以及两个双量子点之间的相干耦合。

为了理解这些现象，研究人员还发展了一个新的理论模型，它将腔体视为驱动系统的一部分，而不是一个被动的探测器。这个理论模型可以适用于任意强度的耦合和任意数量的量子比特。研究人员用这个理论模型成功地解释了实验中观察到的所有数据，并且预测了一些尚未实验验证的新效应。

这项研究不仅展示了一种新颖和强大的cQED系统，而且也为理解和操控强耦合和多量子比特系统提供了一个新的视角和工具。这对于未来实现大规模和高性能的量子计算和量子信息处理具有重要的意义和潜力。