在量子技术快速发展的今天，光与物质之间的相互作用成为推动量子计算、量子通信及量子测量等领域的核心力量。特别是在超导电路中，如何实现更强、更精确的光物质耦合，是实现高效量子器件和操作的关键。近期，科学家们成功地在超导电路中实现了近超强非线性光物质耦合，这一创新突破为未来量子技术的飞跃奠定了坚实基础。传统上，光物质耦合主要以线性形式表现，其作用可以用经典的量子拉比模型描述，耦合强度g与光子频率ω的比值g/ω达到超强耦合状态时，即破百兆赫兹的量级，该状态下系统的动态和能级特性表现出丰富的物理现象。然而线性耦合在应用中存在局限，它不满足光子数算符与原子态的量子非破坏测量(QND)的要求，这阻碍了高精度读出和控制的实现。相比之下，非线性光物质耦合，特别是通过跨克尔效应实现的耦合形式，能够保留光子数算符与原子态的对易性，支持QND测量，并能实现更高效的量子门与测量操作。
然而多年来非线性耦合的强度χ通常较弱，χ/ω往往小于10^{-2}，远无法达到线性耦合的超强水平，限制了其应用效果。近期，通过设计一种创新的四元耦合器（quarton coupler）结构，科研团队成功实现了近乎五倍于以往的非线性耦合强度，达到χ/ω ≈ 4.85×10^{-2}，进入了近超强非线性耦合的新领域。四元耦合器巧妙地利用超导约瑟夫森结的非线性特性，通过调节电路中的磁通量实现自克尔效应的抵消与跨克尔耦合的增强，成功在线性度和非线性耦合强度之间取得了平衡。这使得一个超导transmon量子比特得以线性化，变身为一个近似完美的谐振腔模式，而另一量子比特保持其强非线性特性，从而实现了光子态与原子态之间的大强度非线性交互。在实验中，研究人员利用这套被称作四元耦合器的装置，进行了高精度的双量子比特谱学扫描，实现了对transmon腔模的自克尔效应有效调控，成功将自克尔非线性调节至接近零，确保线性模态的实现。同时，跨克尔耦合χ达到了366 MHz的空前数值，远超先前报道中的80 MHz。
这不仅直接体现了非线性耦合的近超强性质，也为基于跨克尔效应的量子非破坏读出和量子门操作提供了极大便利。此外，实验展示了光光非线性交互—即两个线性化谐振腔之间的强跨克尔耦合，该耦合强度同样达到了令人瞩目的水平，开启了模拟更复杂多光子交互和量子模拟的新可能。更为重要的是，在另一磁通偏置点，通过调整四元耦合器的参数，研究团队实现了两个完全非线性transmon量子比特之间高达580 MHz的跨克尔耦合，这代表了迄今为止量子比特间实现的最大ZZ相互作用，极大缩短了受控非门操作的时间尺度，推动了超高速量子计算的实现进程。该成果的背后体现了微波领域非线性四波混频过程中的有效利用，通过巧妙的电路设计，实现了自克尔非线性几乎被抵消，而跨克尔相互作用得以放大。这种操作策略克服了传统方法中非线性耦合强度必然伴随着自非线性增加的难题，成功打破了耦合与线性的传统权衡。此次四元耦合器电路的设计灵感源自机械系统的春簧模型，借助超导回路的多环路拓扑结构，采用渐近正交的调控方式，极大地增强了四次相位变量的耦合项，从而打造出线性度极佳的“光子”模态以及非线性显著的“原子”模态。
伴随技术上的突破，实验采用先进的双态谱学和高功率脉冲激发，捕捉了跨克尔导致的光子数分裂特征，清晰展示光模和原子模态之间的强耦合现象，验证了理论预言，与微波谐振腔的耦合在相关处理器读出及量子纠缠中具有极大优势。该研究推动了量子非破坏测量、单光子分辨侦测、量子门速率提升等多项应用，预示着量子处理速度能够实现数量级提升。通过近超强非线性耦合，测量过程中的误码率、背动影响大幅降低，量子比特状态读出更可靠。此外，增强的跨克尔效应使得量子门操作速度可达纳秒量级，为量子计算机芯片中的多量子比特操作带来了新的机遇。未来，依托该研究成果，相关量子器件可通过更灵活的磁通调控，实现耦合强度的动态开关和调节，有望构建高性能、可扩展的量子计算架构。同时，该体系也为深入研究超强及深强耦合领域的非线性量子光学效应铺平道路，推动量子信息科学迈向更深层次探索。
总的来看，近超强非线性光物质耦合的实现标志着超导量子电子学的一大飞跃，不仅开拓了非线性光学及量子信息交叉领域的研究视野，更为设计高保真度与高速量子测控器件提供了新的范式。随着器件优化和量子态控制技术的完善，未来量子计算和量子测量体系将蕴藏更强大的性能和更丰富的物理现象。超导电路平台凭借其高度调控性与拓展潜力，正逐渐成为开发下一代量子技术的中坚力量。
