量子技術有望改變大型和複雜資料集的處理方式。儘管它目前主要用於實驗室和研究環境，但該領域正在穩步進入各行業的實際應用。
在最近一項探索量子物理學基礎的研究中，研究人員研究了物質在非常小尺度（包括原子、電子和光子）下的行為。這項工作由加州理工學院物理系教授 Ian Powell 領導，研究了磁場隨時間的變化如何導致物質表現出不尋常的和以前未見過的特性。
鮑威爾和學生研究員路易斯·布查爾特 (Louis Buchalter) 於 2025 年獲得了加州理工大學物理學學士學位，他們在《物理評論 B》上發表了一篇題為“通量切換 Floquet 工程”的論文，發表了他們的發現。他們的研究表明，當磁場隨時間以受控方式變化時，它們可以產生材料中不存在的量子態，這些量子態隨時間保持不變（隨著時間的推移保持相同的狀態）。
鮑威爾說：“在成像層面，我將其描述為理解依賴時間的控制如何創建和組織新形式的量子物質的突破。” “中心思想是，有用的量子特性不僅取決於材料是什麼，還取決於它如何及時驅動。在我們的例子中，我們證明周期性改變磁場可以產生驅動量子相，而無需靜態對應物。”
邁向更穩定的量子技術
透過仔細計時磁場的應用方式，科學家可以設計出更穩定且具有抵抗「噪音」或錯誤的特性的量子系統。這些不連續性是量子技術的主要挑戰，通常會導致計算或系統性能錯誤。
正如鮑威爾所指出的那樣，雖然技術細節可能很難在領域外解釋，但更廣泛的概念是明確的。這些發現提出了在受控環境（例如超冷原子實驗）中創建和研究這些不尋常量子態的新方法。
鮑威爾說：「我們的研究最直接的工業相關性是量子計算和量子模擬，而不是現階段的特定最終用途領域。」「對製藥、金融、製造或航空航天等領域的任何可能的影響都將是間接的，從長遠來看，有助於開發更好的量子技術。為了轉向工業用途，下一步將是實驗驗證，並進一步努力將這些想法與現實的量子平台設備聯繫起來。」
量子系統中的新數學模型
除了創造新的量子態之外，該研究還確定了一種數學組織原理，反映了高維量子系統中常見的模式。這表明由變化的條件驅動的相對簡單的系統可能為研究更複雜的量子物理學提供新的方法。
該團隊還確定了這些奇異狀態是如何產生的，並揭示了系統拓撲相圖中的詳細結構。該圖作為不同穩定量子相的視覺指南，每個穩定量子相都由固定的拓撲特性定義。
為什麼量子控制對運算很重要
量子力學允許電腦系統以超出經典電腦能力的方式處理資訊。這些系統可以運行大規模模擬、分析大量資料集並更有效地解決複雜問題。
磁場在此過程中發揮核心作用。它們通常用於控制和測量量子位元（或量子位元），即量子資訊的基本單位。量子位元相當於經典計算（應用於當今主流計算）中的 0 和 1 單位，用於表示物理電狀態。
學生的研究經驗與未來的工作
對布查爾特來說，參與研究為研究過程和科學交流提供了寶貴的見解。
“關於研究的過程以及如何將新的研究成果有效地傳達給更廣泛的科學界。”
「我了解到，研究很少是一個簡單的過程，它通常需要在研究項目中堅持不懈並創造性地解決問題，」布查爾特說。 “我相信我們的結果有助於證明 Floquet 工程實現具有高度可調特性的量子系統的潛力，為進一步研究週期性增強量子物質及其應用的開發鋪平道路。”
布查爾特計畫於秋季在華盛頓大學啟動材料科學與工程理學碩士課程，並專注於量子物質的實驗研究。他也考慮未來在國家實驗室從事量子設備開發工作。
「我最初接手這個計畫是因為我對凝聚態物理感興趣，但透過我的經驗，我開始對量子材料領域著迷，」布查爾特說。 “我對繼續研究量子物質並幫助開發其在電子和光子器件中的應用非常感興趣。”
