引 言

当人们谈论超导量子器件时，超导涡旋通常不是被寄予厚望的主角，而是被努力压制的对象。它常常与能量损耗、磁通噪声和器件不稳定联系在一起。可一旦某种“麻烦”开始表现出清晰的量子相干，人们对它的评价标准就会改变：它究竟是缺陷，还是一种尚未被充分利用的量子资源？

2026年5月6日，《Nature》在线发表题为《Quantum coherent manipulation and readout of superconducting vortex states》的研究论文。来自德国卡尔斯鲁厄理工学院、乌尔姆大学、比利时安特卫普大学等机构的研究团队报告称，他们在颗粒铝超导薄膜中俘获的涡旋态，不仅能够像两能级系统那样被相干驱动，而且可以被量子无损读出。论文显示，这类“涡旋量子比特”具有微秒量级相干时间、数百微秒量级能量弛豫时间，并可在实验条件下稳定存在数周。

更重要的是，这项工作不是停留在“看到了异常信号”这一层面，而是给出了光谱、单次读出和时间域操控等成体系证据。对量子材料和量子器件研究而言，这意味着一个长期被视为副作用的物理对象，开始具备被重新定义的可能。

第一章 从“能出现”到“可信”：为什么涡旋量子态的验证如此关键？

超导体最著名的性质之一，是对外加磁场的排斥，也就是迈斯纳效应。但当磁场超过一定阈值后，磁通并不会完全被挡在外面，而是以离散量子的形式穿入超导体内部，形成携带量子化磁通的局域结构，这就是超导涡旋。在传统认识中，涡旋中心的超导能隙会显著降低甚至消失，因此它往往伴随耗散；一旦运动起来，还会带来附加噪声与能量损失。

正因为如此，在很多超导器件里，涡旋更像一个需要小心处理的工程问题，而不是一个值得主动利用的物理对象。研究者通常会想办法减少它、固定它，或把它隔离在关键功能区之外。也正是在这种长期的研究背景下，“涡旋能否表现出真正量子化的两能级行为”一直是一个很难却又很吸引人的问题。

此前，学界已经在生长约瑟夫森结、超导薄膜等体系中观察到与涡旋量子行为相关的若干迹象，但要说服人们它不只是偶然信号，而是一个可以被清晰操控、重复读出、稳定研究的量子对象，仍然需要更完整的证据链。换句话说，关键不只是“它会不会量子化”，而是“它是否足够可信，足够可控，足以进入量子器件研究的语言体系”。

第二章 第一重证据：在颗粒铝谐振器里“看见”涡旋量子态

图1 颗粒铝（grAl）微波谐振器中，通过磁场冷却引入涡旋量子比特（Vortex Qubit, VQ）状态，及其与谐振器耦合的实验观测。

这项研究选择的不是普通均匀超导薄膜，而是“颗粒铝”体系。所谓颗粒铝，是由尺度仅3到4纳米左右的铝颗粒，通过非晶氧化铝势垒彼此分隔而形成的特殊超导材料。论文给出的参数显示，该体系的超导相干长度约为7纳米，整体工作点靠近超导-绝缘体转变区域。正是这种兼具无序性和可调性的环境，为非常规涡旋态的形成提供了舞台。

实验中，研究者将颗粒铝微带谐振器放入约20毫开尔文的稀释制冷机中，并通过“带磁场冷却”的方式把涡旋引入器件。当样品在零磁场冷却时，器件表现得更像一个普通的弱非谐振子；但当研究者在一定垂直磁场下冷却样品后，再去扫描外加磁场，微波响应中出现了明显的“避免交叉”结构。对于量子器件研究者来说，这类信号往往意味着：谐振器正在与某个离散的两能级模式发生强耦合。

为了进一步确认这一点，团队又使用双音谱学方法测量该模式。结果显示，涡旋模式在某个“甜点”磁场附近具有约2GHz的最低跃迁频率，并与谐振器之间表现出约95MHz的强耦合强度。也就是说，研究者并不是在远处“猜测”材料内部可能藏着一个有趣激发，而是已经通过微波读出，把这个激发清晰地放大成了可追踪、可拟合、可比较的实验信号。

第三章 第二重证据：把它驱动起来、读出来，并与理论对上

图2 涡旋量子比特（VQ）的量子特性，证明了其作为一个两能级系统的存在，并展示了如何利用非对称量子Rabi模型（AQRM）来精确描述它与谐振器的相互作用。

如果说避免交叉和双音谱学说明“这里确实有一个离散对象”，那么单次读出和时间域操控则进一步回答了另一个更关键的问题：它能否像量子比特那样被驱动、被区分、被重复测量？

论文给出的结果相当直接。在单次读出实验中，信号在IQ平面上分成两个可以清晰区分的簇，分别对应基态与激发态；研究者施加20纳秒的π脉冲后，还成功实现了两种状态布居的翻转。这说明该涡旋态不仅能被“看见”，还能被主动操控，而且读出方式已经接近当前超导量子电路领域熟悉的实验范式。

更有分量的是它的时间域指标。论文展示的代表性实验中，涡旋量子比特的能量弛豫时间T1约为186微秒，在不同制备循环中可分布在40微秒到300微秒之间；Ramsey相干时间T2约为440纳秒，经过Hahn回波处理后可延长到约1.2微秒。虽然这一相干水平与最先进工程化超导量子比特相比仍有差距，但它已经足以说明：这里看到的不是纯粹经典的涡旋动力学，而是具备真实量子相干特征的两能级系统。

为了理解它为何会呈现这种行为，研究团队进一步使用非对称量子Rabi模型进行拟合，并提出一个很有启发性的图像：涡旋可能在不同钉扎位点之间发生隧穿，在双阱势中形成有效的两能级结构。换句话说，这个系统之所以像量子比特，不是因为研究者事先人工做出了一个传统约瑟夫森结回路，而是因为材料内部的微观势景观，自发提供了一个可被量子化描述的“隧穿对象”。

第四章 为什么偏偏是颗粒铝？这项工作真正改写了什么？

这篇论文之所以受到关注，不仅因为它“多找到了一种量子比特候选”，还因为它把材料、器件与量子调控三件事重新缝合在了一起。早在2019年，KIT相关团队就曾在《Nature Materials》上报道颗粒铝可作为高阻抗超导量子电路材料，显示出在复杂量子器件设计中的潜力。此次工作则进一步提示，颗粒铝的价值不只在于“适合做器件”，还在于它本身就可能孕育新的量子态。

从物理图景上看，颗粒铝并不是一个均匀平滑的超导背景，而更像由大量纳米级超导岛和势垒耦合而成的三维约瑟夫森网络。正因如此，材料中的无序性、钉扎位点和局域势阱不再只是要被消除的缺陷，它们也可能成为形成新型量子态的必要条件。这一点很值得今天的量子科技研究者重视，因为它意味着未来的竞争，不仅发生在控制线路和算法层面，也发生在材料设计和微观环境塑造层面。

当然，这项工作并不意味着“涡旋量子比特”已经准备好进入实际量子计算平台。相反，研究团队在论文中也保持了非常克制的态度。例如，这一两能级系统究竟来源于单个涡旋，还是多个涡旋之间更复杂的集体动力学？其退相干噪声主要来自哪里？如何通过器件几何设计、钉扎位点工程以及磁电敏感性测量进一步提升相干性能？这些问题都还需要后续实验给出更直接的回答。

也正因如此，这篇工作最重要的地方，不是它宣告某种终局已经到来，而是它清晰地打开了一个新方向：曾经被视为副作用的超导涡旋，如今第一次以“可操控量子态”的身份，进入了量子信息和量子材料研究的共同视野。

第五章 结语

当超导涡旋第一次不再只是“该被抑制的噪声源”，而是以可驱动、可读出、可建模的量子对象身份站到台前，它带来的并不是一篇简单的器件性能报道，而是一种新的研究视角。材料中的复杂性未必只会破坏量子行为，它有时也可能孕育新的量子资源。

参考文献：

Quantum coherent manipulation and readout of superconducting vortex states | Nature

Granular aluminium as a superconducting material for high-impedance quantum circuits | Nature Materials

 撰稿｜潘   洋

 指导｜刘玉龙

 编辑｜陈治光  王海月