在量子物理的奇妙領域中，有些效應不僅難以控制，甚至完全隱藏起來。這些所謂的暗模式（dark modes）悄然存在於量子系統內，拒絕與外部訊號互動，更阻礙科學家希望利用的關鍵行為。日本理化學研究所（RIKEN）量子計算中心的研究團隊近日提出巧妙解決方案，透過短暫讓這些隱形模式變得可見，從而開啟控制先前難以觸及的量子效應之道。研究作者指出：「我們的成果繪製出一條通用途徑，用以產生一種截然不同的拓撲量子資源，能夠免疫暗模式與暗態（dark states）的干擾。
」這項進展或將改變未來量子裝置儲存與傳輸資訊的方式，特別適用於處理微小尺度光與聲波的系統。
暗模式的難題與突破
要理解這項突破，需先了解背景。研究團隊針對非厄米系統（non-Hermitian systems）進行實驗，這類量子系統可與環境交換能量，已成為熱門課題，因為它們能容納獨特的拓撲效應。簡單而言，這裡的拓撲指系統即使輕微擾動，其特性仍保持穩定，非常適合打造穩健量子技術。在此系統中，光子（光粒子）或聲子（聲波振動）可被引導成特定路徑，例如單向移動。研究作者之一、RIKEN 科學家 Franco Nori 解釋：「拓撲操作能帶來各種奇特現象，如手性相（chiral phases）的形成，以及聲子單向傳
輸。」
圖示顯示量子系統內的兩個聲子模式。RIKEN 量子計算中心提供
然而，問題在於量子系統不僅有一種運動或激發模式，而是多種。有些是亮模式（bright modes），可與外部訊號互動並被控制；另一些則是暗模式，完全脫鉤。它們對驅動場毫無反應，宛如機器中無法觸及的隱藏齒輪。Nori 表示，當暗模式存在時，「不同模式間的轉換與聲子的拓撲傳輸均會失效，傳統方法無法修復。
」這導致能量無法控制傳遞，單向運動中斷，量子操作無從談起。傳統調整系統參數亦無效，因為暗模式本質上仍與系統斷連。
RIKEN 團隊另闢蹊徑，不試圖消除暗模式，而是重新編程它們。他們注入精心設計的人工量子資訊，改變模式間互動方式。這項工程讓暗模式暫時與系統耦合，轉化為亮模式，從而復活先前受阻的拓撲效應。聲子重獲控制路徑，不同模式也能如預期交換能量。更關鍵的是，此轉變精準可控。
研究作者之一、RIKEN 博士後 Deng-Gao Lai 表示：「我們非常興奮，這類工程轉變讓拓撲操作成為可能，先前因暗模式而無法實現。」
研究團隊最意外的是方法的穩健性，即使在預期失效的條件下，工程轉變仍堅韌不拔。這顯示該途徑不僅是理論，更適用於實際裝置。Lai 補充：「我們的成果為建構可擴展量子裝置，以及發掘新型拓撲現象鋪路。」研究論文刊載於《Nature Communications》。