通过单根光纤或网络(无光隔离器或光放大器)进行光信号的双向传输,相当于通过双绞线或同轴电缆传输电信号、通过“以太”传输无线电信号以及通过空气传输声学信号(声音)。在所有这些情况下,介质都是互易的,即相对于传播方向对称。考虑通过单根光纤进行双向传输而不是“两次单向”传输的主要动机是将基础设施(光纤、光分路器和光放大器)减少两倍,并通过集成收发器设计降低成本。当然,双向传输会给系统设计带来其他成本和额外的复杂性。一种特殊的光纤!组件需要在收发器处“双工”双向信号,并且双向信号之间的串扰应保持较小。
量子比特和腔之间的色散相互作用在电路和腔量子电动力学中无处不在。它描述了一个量子模式响应另一个量子模式的激发而发生的频率偏移,并且在封闭系统中必然是双向的,即互易的。在这里,我们展示了一项关于 transmon 量子比特和超导腔之间非互易色散型相互作用的实验研究,这种相互作用源于与具有破坏时间反转对称性的耗散中间模式的共同耦合。我们通过原位调整铁氧体元件的磁场偏置来表征不同程度的非互易性下的量子比特腔动力学,包括不对称频率牵引和光子散粒噪声失相。我们引入了一个用于色散状态下非互易相互作用的通用主方程模型,为与中间系统无关的观察到的量子比特腔动力学提供了紧凑的描述。我们的结果提供了一个超越非厄米汉密尔顿量和级联系统典型范式的量子非互易现象的例子。
pn 结中的二极管效应在现代微电子学中起着重要作用。由于电子(n)和空穴(p)掺杂区之间的反演对称性破缺,电子传输是非互易的,即电流只能朝一个方向流动。这种非互易性质已广泛应用于晶体管、发光二极管、太阳能电池等电子设备中。最近,类似的二极管效应在超导系统中引起了极大的兴趣 [1-66]。与 pn 结中的二极管效应一样,超导二极管效应 (SDE),或者具体来说是约瑟夫森结 (JJ) 中的约瑟夫森二极管效应 (JDE),有望找到重要应用,如无源片上回转器和循环器 [66]。这类设备在量子计算应用中将特别有影响力。此外,SDE/JDE 可用作研究新型超导特性(如有限动量库珀对)的替代方法 [2, 10]。在典型的 JJ 或超导量子干涉装置(SQUID)中,IV 曲线在装置处于正常状态的高电流范围内呈线性,如图 1(d)所示。电压 V DC 在所谓的再捕获电流 I + r(对于电流向下扫描)处突然降至零,并在很大的电流范围内保持在零,直到达到开关电流 − I − c。本文中,我们将该开关电流视为 JJ 的临界电流(I c ),并在本文中始终使用临界电流这一术语。超过 − I − c 后,IV 曲线变为线性,装置再次进入正常状态。对于电流向上扫描曲线,可以观察到 IV 曲线的类似形状,并标记出相应的 − I − r 和 I + c 的位置。一般而言,只要存在时间反演对称性 (TRS) 或反演对称性,I + c = I − c 就与电流扫描方向无关。然而,当两种对称性都被破坏时,临界电流会根据电流扫描的方向显示不同的值,这种现象称为 JDE [ 1 , 2 ]。在非中心对称超导系统或非对称 SQUID 等器件结构中,反演对称性会被破坏
人们齐心协力,设计出实现此类非互易散射装置的方法,而无需使用磁性材料或磁场,而是使用外部驱动(即时间调制)。有几篇优秀的评论讨论了经典系统中的这些方法(例如见[1、2])。与此同时,人们对理解系统的独特性质的理论兴趣也日益浓厚,这些系统的内部动力学由有效非厄米哈密顿量所支配,这些哈密顿量编码了非互易相互作用。典型的例子包括非厄米晶格模型,其中存在不对称性,例如从左到右跳跃的振幅与从右到左跳跃的振幅[3]。这样的系统表现出许多不寻常的性质,例如非厄米趋肤效应,其中边界条件从周期性变为开放会完全改变哈密顿量的谱,并局部化所有特征向量[4-6]。它们还可以表现出独特的拓扑能带结构 [7,8],甚至可以产生新颖的相变物理 [9]。该领域的大多数工作都假设定向相互作用的存在作为建立模型的起点,而不必担心微观机制。在量子领域,这可能会有问题,因为它通常相当于对开放量子系统的不完整描述(其中包括广义阻尼效应,而不考虑随之而来的相应量子涨落)[10]。在这些笔记中,我们(希望)以完全符合量子力学的方式,通过外部驱动在微观上实现非互易相互作用的方法提供了教学介绍。使用一个极其简单的三点玻色子环模型,我们明确展示了非互易散射(隔离器或循环器所需要的)如何直接与环内的非互易传播相关联,如有效非厄米哈密顿量所述。我们以一种包含所有相关量子噪声效应的方式来做到这一点。这个简单的例子强调了一个普遍原则:实现非互易相互作用既需要打破时间反转对称性(因为存在非平凡的合成规范场),也需要耗散。然后,我们使用这个玩具模型来推导一个量子主方程,该方程编码环内的非互易隧穿。这明确展示了非互易性是如何通过平衡相干哈密顿相互作用与相应类型的耗散相互作用(由非局部耦合到系统自由度的耗散库介导)而出现的。通过这个例子,我们表明这个量子主方程的基本结构可用于使两个系统之间的任何起始哈密顿相互作用完全非互易。我们将其与级联量子系统理论(其中非互易相互作用通过耦合到外部单向波导然后积分出来产生)和测量加前馈协议的量子描述(由于信息的单向流动,它们本质上是非互易的)联系起来。因此,我们的工作为参考文献 [ 11 ] 和 [ 12 ] 中介绍的产生非互易量子相互作用的基本方法提供了教学介绍。它以多种方式补充了那里的分析(例如,通过讨论与非厄米汉密尔顿量的具体联系,并通过评论非厄米相互作用产生纠缠的能力)。