布法罗大学团队在《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表的一项理论研究显示，光子与原子在相互作用时并不总会如传统预期那样迅速达到热平衡。在特定条件下，光与物质即便长时间耦合，也可能在较长时间内维持不同温度。

研究聚焦于“热平衡”这一过程，即相互作用的粒子通过能量交换最终达到相同温度。通常情况下，当被困住的光反复与物质相互作用时，热平衡会很快建立。但该团队指出，在某些参数条件下，系统会进入所谓的“预热态”（prethermal states）：在初期能量交换后，光子与原子之间的能量交换效率下降，从而使两者在一段时间内保持不同温度，甚至出现温度符号相反的情形。

在量子计算应用层面，研究人员认为，这类预热态虽然在人类时间尺度上仍属短暂，但可能足以影响依赖光子与原子相互作用来存储与处理信息的中性原子量子计算机。论文第一作者、布法罗大学文理学院物理学助理教授Jamir Marino表示，热平衡会改变量子性质，从而抹去量子计算机中量子态所承载的信息；因此，即便将光子与原子之间的热平衡延后数毫秒，也可能为维持并操控有用的量子行为提供时间窗口。

量子计算机以量子比特（qubits）作为信息单元。与只能取0或1的经典比特不同，量子比特可处于叠加态，从而支持更复杂的计算。量子比特的实现路径多样：超导量子计算机依赖超导电路中的集体现象；而中性原子量子计算机通常以单个原子作为一个量子比特，常见方案是将碱金属原子激发到Rydberg态。

研究指出，中性原子方案的一个优势在于硬件相对简化：原子量子比特可通过光束实现捕获、控制与连接，无需超导量子比特所需的复杂布线。但与此同时，也存在担忧，即光可能迅速与原子热平衡，进而破坏计算所需的脆弱量子行为。

研究团队在论文中回顾称，迄今不少中性原子量子计算研究集中于构建大型Rydberg原子阵列，并使用短暂激光脉冲完成捕获与纠缠。由于光作为短暂控制工具很快逸出，与原子发生充分热平衡的机会有限，从而降低了对量子态的干扰。

不过，研究人员同时指出，若要实现更强大的中性原子量子计算机，可能需要多个Rydberg阵列通过光进行连接。在这种架构下，光子将停留更久并反复与原子相互作用，热平衡风险随之上升。论文第一作者之一、曾在Marino实验室任职的博士后Aleksandr Mikheev表示，这意味着光可能会破坏其本应携带的量子信息；他曾在德国美因茨约翰内斯·古腾堡大学工作，目前为康斯坦茨大学博士后。

为检验这一结果是否不可避免，研究团队建立理论模型并模拟光子与原子的量子动力学：将中性原子阵列置于由一对镜子构成的光学腔内，使光被困住并被迫反复与原子相互作用。模拟显示，随着原子相互作用并衰变，其发射的光子被限制在腔内；在初始能量交换“爆发”之后，系统有时会进入能量交换不再高效的阶段，从而维持光子与原子不同温度。在部分情形下，原子达到负温度，而光子仍保持正温度。

研究称，随着光子逐渐从腔中泄漏，预热态最终瓦解，系统走向热平衡。合著者、曾为Marino实验室研究生的Hossein Hosseinabadi表示，模型结果表明，利用光连接更大规模的中性原子阵列而不破坏量子信息在理论上是可行的。他即将以独立杰出博士后学者身份加入德国马克斯·普朗克复杂系统物理研究所。

Marino补充称，原子发射的同一束光最终也可能用于连接完整中性原子量子计算机中的各个阵列；在该设想下，系统建立后可在较长时间内自然维持非热平衡状态，而无需持续干预。