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前沿 | 南京大学先进制造学院陈泽国、卢明辉最新SCI CHINA PHYS MECH：基于量子协议的瞬态声场调控

两江科技评论

2026-01-13

导读：近日,南京大学研究团队首次将量子协议引入经典的瞬态声波调控，实现了声二能级系统的全Bloch球演化控制。相关成果发表在Science China Physics, Mechanics & Astron

文章来源：功能材料与智能制造研究院

Bloch球提供了可视化表征和控制量子比特在外场驱动下的动态演化的直观且多功能的几何框架。近日,南京大学研究团队首次将量子协议引入经典的瞬态声波调控，实现了声二能级系统的全Bloch球演化控制。相关成果以 “Coherent control of transient acoustic wave under programmable Bloch dynamics”为题，发表在Science China Physics, Mechanics & Astronomy上。

南京大学先进制造学院2023级博士生张晓萌为论文第一作者, 陈泽国副教授、卢明辉教授为通讯作者, 博士生贺广臣以及陈召宪助理教授为本工作做出重要贡献，南京大学现代工程与应用科学学院陈延峰院士给予了悉心指导。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

研究背景

相干调控作为量子技术的基础，它依托量子相干性保证系统动力学在时间上的可控连续性，从而实现对量子态在希尔伯特空间中演化轨迹的精确调控。在过去几十年中，相干控制技术不断发展成熟，逐步形成了一套以时间分辨的控制序列为核心的动力学操控框架。该框架通常借助Bloch球几何表象，将波函数映射为球面上的状态向量，从而以直观的几何方式刻画外场调制下的演化轨迹。在这一图像下，通过对旋转轴方向与演化时间的精确控制，可实现对态占据幅度的拉比振荡，而拉姆齐干涉可以实现对能级失谐和相位累积的高精度探测与读出，从而将多种基础量子协议统一为对态占据、相位信息协同调控过程。而进一步发展的复合脉冲例如自旋回波、动力学去耦被引入以抑制退相干并提升演化的稳健性。而在经典体系中，相干性通常通过超材料、声子晶体和声学超表面等空间波前工程实现，其核心在于借助结构设计调控能量分布、色散关系和静态设计，难以在时间维度对声场演化进行精确编排与动态相干控制。由此，若要实现与量子相干控制相类比的操控能力，亟需发展一种能够在时间、空间与模态维度上实现对声场在时间、空间及模态多个自由度上同步构建可编程的相干操控框架。

研究亮点

本研究首先构建了一个由高品质因子电声耦合腔组成、并由可编程时变外场驱动的经典声学二能级系统。该平台集成了基于电压控制放大器与移相器的可调耗散模块、瞬态电压控制的本征频率失谐调制电路以及可编程的时变腔间耦合电路，从而在毫秒时间尺度上实现了对失谐、耦合和耗散的独立同步调制。基于此实现了对有效赝磁场的全矢量调控，从而操纵类自旋体系的动力学演化。该控制方案在实验可调参数空间与Bloch球上SU(2)旋转之间建立了直接的几何对应关系，使得任意旋转生成元均可被工程化实现，并由此构建通用的SU(2)相干控制。

图1 经典声学二能级系统的通用相干调控

在此基础上研究团队通过施加具有固定耦合强度和可调谐失谐量的连续时间演化，在该平台实现了拉比振荡效应并进一步揭示了布洛赫球上的手性演化动力学，证明了相位积累的不对称性及演化轨迹的手性特征严格取决于失谐量的符号与初始态的选择。此外，针对能量耗散这一限制，利用有源电声反馈电路实现了对系统耗散的动态补偿与调控，大幅提升了瞬态动力学的演化与能量弛豫时间。

图2 Rabi振荡及其布洛赫球的手性演化路径

除了在硬件方面抑制耗散并进一步探索更复杂的动力学行为，研究团队还提出通过可编程电路网络控制构建瞬态周期性弛豫时间切换的Floquet动力学。Floquet调制显著降低EP点出现的阈值，使微弱的参数不对称即可触发模态选择性放大。实验结果表明，该机制能够有效延长相干振荡寿命，为稳定实现高保真动力学与瞬态布洛赫球控制提供了有效途径。

图3 Floquet动力学与耗散抑制

系统不仅在幅度层面实现了高精度调控，也为相位演化的精确操控创造了稳定条件。通过Ramsey干涉序列系统在两次脉冲之间经历可控的自由进动过程，从而将不可见的相位信息转化为可观测的干涉条纹。并利用Bloch球直观展示了调节失谐量与演化时间对瞬态相位轨迹的实时导引能力, 为后续复合脉冲序列的Bloch动力学奠定基础。

图4 电声二能级系统中的相位调控

在完成对相位演化的精确表征与调控之后，系统已具备实施多脉冲协同控制所需的完整幅度与相位操控能力。在此基础上，进一步将单次脉冲操作推广至多阶段复合脉冲序列，以探索更高阶的相干动力学调控机制。在复合脉冲控制中，研究团队以经典自旋回波序列为代表，构建了由驱动演化与自由进动交替组成的多段动力学瞬态调控过程，使系统态矢量在布洛赫球上实现时间反演式回聚。理论与实验结果的高度一致展现了该平台在复杂脉冲序列驱动下实现瞬态高精度声场调控的能力，进一步体现了瞬态Bloch球动力学对系统演化路径进行可视化和精细操控的优势。

图5 复合脉冲序列瞬态调控

总结与展望

本研究通过构建一种基于可编程电声耦合腔的经典声学两能级系统，实现了对布洛赫球动力学的全参量、瞬态可控操纵。该工作首次将量子协议引入经典瞬态声波调控，并得到所有审稿人的高度评价，审稿人指出“There are many papers using external control to achieve certain functionalities in acoustic resonators. But this work is the most advanced in technique. The observed phenomena are also new in acoustics”。该工作通过展示拉比振荡、Floquet调制、Ramsey干涉及复合脉冲序列等一系列经典的量子比特调控操作，系统在幅度与相位两个层面均展现出高保真、可视化的相干演化特性，并有效抑制了耗散与误差积累，为构建高精度、时变可编程的声学量子模拟与波动控制技术提供了重要思路。

论文链接：

http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-025-2830-x

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