量子态通常十分脆弱，容易在相互作用、测量以及与环境接触时被破坏。科隆大学Rohan Mittal及其同事近日在《Physical Review X》发表一项理论研究，提出一种在远离平衡驱动的系统中保护大尺度量子行为的方法，研究结果被认为对提升量子器件的稳健性具有潜在意义。

脱相干带来的限制

研究指出，当量子多体系统被驱动离开平衡状态时，脱相干会导致量子关联与叠加态崩溃。即便系统由量子成分构成，这一过程也可能使其在大尺度上呈现与经典系统相近的行为，从而限制其在量子计算、量子传感等应用中的可用性。

在既有思路中，研究人员通常尝试同时微调两个独立参数：其一将系统推至两种不同量子相的边界，其二用于确保系统在该边界处仍能保持量子相干性。研究团队表示，这种“双参数”调控在实验上难度较高，且整体方案较为脆弱。

以费米子模型寻找“暗态”配置

为应对上述挑战，Mittal团队构建了一个由费米子组成的模型。费米子包括电子等粒子，遵循严格的量子态占据规则。研究强调，费米子的一个关键特性在于：在有限温度下，只有当整个系统处于纯量子态时，费米子才会对系统的大尺度行为产生贡献。

基于这一特性，团队进一步讨论如何设计费米子与环境的相互作用，使系统稳定在不易受脱相干影响的配置中，即所谓“暗态”。研究显示，通过微调单一参数，系统可在两个拓扑性质不同的暗态之间发生转换，形成量子相变，同时费米子在过程中保持相干。

“费米子暗态对称性”提供保护机制

研究的核心在于，团队识别出一组使系统方程保持不变的数学变换组合，并将其称为“费米子暗态对称性”。研究认为，这一对称性一方面消除了对两个可调参数的依赖，另一方面可在开放且受驱动的条件下保护费米子态的纯净性免受环境影响。

团队的计算结果据此展示了量子相干性在开放系统中存续的可能路径。研究人员表示，若相关机制在实验中得到验证，或可为设计能够持续测量与控制、同时不丧失相干性的量子器件提供原则。为推进验证工作，团队计划寻找能够满足“费米子暗态对称性”要求的实验平台，并通过模拟检验其理论预测。

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