多模光子阻塞

相互作用对于产生关联量子多体态至关重要。虽然两体相互作用构成了大多数自然现象的基础，但三体和四体相互作用对于核物理[1]、超冷量子气体中的奇异少体态[2]、分数量子霍尔效应[3]、量子纠错[4]和全息术[5,6]的物理至关重要。近来，若干人工量子系统作为多体物理的模拟器出现，具备调控强相互作用的能力。然而，这些系统中的相互作用大体局限于两体范式，且需通过组合两体力来构建多体相互作用。在此，我们演示了多模腔中任意数目电磁模中存储的微波光子之间的纯N体相互作用。该系统被修饰，使得在跨多个不同模达到目标总光子数前集体无相互作用，此时它们发生强相互作用。该微波腔具有9个模，光子寿命约$2$ ms，耦合到超导transmon电路，形成单光子协作度约$10^9$的多模电路QED系统。我们利用transmon电路上腔光子数分辨驱动来阻塞跨目标模分布、具有选定总光子数的任何多光子态，从而产生多模相互作用。我们将该相互作用用于态制备，仅通过对腔模作用的量子最优控制脉冲制备光子数递增的Fock态。我们通过均匀腔驱动与多模光子阻塞纯粹产生纠缠，并利用一种新的多模Wigner层析协议表征所得二模和三模W态，从而演示了多模相互作用。