2026年5月19日——量子技术有望催生出功能强大的新型计算机，为科学家提供模拟和探索微观自然世界的新工具。在微观层面，自然界中的一切——从原子、电子到光本身——都遵循着量子力学那奇特的规则。然而，现实世界并非完美无瑕：信号会衰减，能量会耗散，系统也会从周围环境中拾取噪声。

“如果我们希望实验能揭示自然界的真实面貌，而不仅仅是理想化的设定，那么理解量子系统在这种“混乱”环境下的行为就至关重要，”瑞典皇家理工学院（KTH）的博士生Govind Krishna表示。

在KTH近期的一项研究中，Krishna领导开发了一款芯片，使研究人员能够模拟众多量子系统在向周围环境损失能量或信息时的行为方式。该研究成果发表在《自然·通讯》上。

Krishna表示，这项研究强化了量子计算机作为自然界量子系统和量子过程模拟器的角色。

“我们的研究提出了一种方法，让我们能够安全地测试量子系统中“不完美”的表现，”他说，“甚至能探索一些想法，在这些想法中，“不完美”本身可以变成我们可利用的资产，而不仅仅是一个我们试图摆脱的问题。”

Krishna介绍，该研究使用芯片上的光粒子（即光子）来代表所模拟系统中任何类型的粒子。利用这种高度可控的量子系统，研究人员可以在其他类型的系统中重放并研究光子的行为。

该器件是一个集成光子电路：光在硅芯片上的微观通道（即波导）中传播，类似于电流在计算机芯片的导线中移动。在实验中，研究团队添加了一条额外的“侧轨”，扮演损耗通道的角色。通过电信号，研究人员可以调节主轨道与这条侧轨的连接强度。

“在许多量子实验中，任何不符合理想教科书描述的现象通常都被当作损耗处理并忽略，”Krishna说，“而这款芯片使我们能够以可控的方式模拟这些非理想过程。”

部分量子光被重新导向一个独立的输出端，该输出端扮演环境或损耗通道的角色。研究人员对这个通道进行测量，以追踪光子的最终去向。

“这款芯片的工作原理有点像量子光的可编程铁路枢纽，”KTH副教授、该研究的资深作者Ali Elshaari说，“通过改变控制信号，我们可以决定光子是主要停留在主轨道上，还是大部分被分流到损耗通道，或是最终处于依赖于其量子干涉的叠加态。”

尽管这项研究侧重于基础物理和原理验证演示，但研究人员表示，理解这些效应对于未来的量子技术至关重要。

“真实的量子器件总会存在泄漏和噪声，”该研究的合著者、中国武汉华中科技大学副教授Jun Gao说，“我们的芯片提供了一种可控的方式，来研究量子信息在这些条件下的流动情况，以及那些曾经只被视为问题（如损耗）的因素，何时可能被转化为有用的资源。”