如果源发射的波散射物体，然后由探测器进行测量，则互易原理表明，如果源和探测器切换，测量信号将保持不变。这种对称性在所有物理系统中都是一个普遍的特征，但对于某些应用来说，它构成了一个障碍。例如，要创建一个隔离器（一种允许信号在一个方向传递但不允许在另一个方向传递的小工具），必须打破互易性。这种不可逆装置（由发射或吸收的优先方向或“手性”定义的装置）在许多领域都很有价值。最近，在量子计算中使用的超导电路中已经实现了非互易器件，但它们都有缺点。

如今，加州理工学院的ChaitaliJoshi和她的同事们构建了一种更简单的非互易装置：一种由超导电路制成的“人造原子”，它可以在微波波导中专门耦合到左或右移动的信号。这种手性设计可用于量子网络，以控制与波导耦合的多个人造原子之间的信息流。

超导电路是量子计算最重要的平台之一。但他们将受益于非互易组件，这可以帮助他们保持冷静并传递量子信息。先前的工作已经证明了使用自然原子和其他单光子发射器控制可见光传播的非互易器件。在这项工作中，光被限制在平面波导中，平面波导将光的偏振限制在特定的方向。然后，可以使耦合到波导的原子或其他发射器仅发射和吸收沿一个方向行进的光。

然而，这种可见光设置不适用于超导电路和它们耦合的低频微波。由于天然原子不是非常灵活的微波发射器，研究人员通常使用由以谐振电路形式排列的超导组件制成的人造原子。像真实的原子一样，这些超导电路有基态和激发态，可以根据需要进行设置。然而，问题是，人造原子和微波波导之间的耦合并不像在可见光情况下那样具有偏振依赖性。研究人员已经设计了其他策略，但现有的超导电路手性界面往往体积庞大、复杂或在其他方面受到限制。

最近提出并演示的一些手性方案使用“巨分子”，它是一对耦合在一起的人造原子。每个原子都在单独的点连接到波导。干涉效应改变每个原子的发射和吸收，从而导致通过波导的传输被抑制或增强。Joshi和她的同事采纳了这一想法并将其简化，只需要一个人造原子作为发射器。他们设计了一种人造原子，可以在由单波长距离分隔的多个点处耦合到一维波导，从而以“巨原子”的形式实现了巨分子概念的扩展。

为了使用单个发射器实现所需的干扰效果，研究人员不仅必须设置耦合点之间的间距，还必须确定每个点的耦合相位。他们通过使用额外的超导人造原子作为发射原子和波导之间的耦合器来实现这一目标。利用磁场，该团队可以以有效控制发射器和波导之间耦合的方式调谐耦合器原子。两个耦合器的调制之间的相对相位产生了关键的相位差，使向前或向后传播的光通过波导（图1）。调制中的相位差很容易调节，因此相互作用的手性可以很容易地从一个方向翻转到另一个方向。

研究人员在一系列实验中展示了他们设备的性能。首先，他们测量了与原子共振时弱光子信号的传输。这一测量表明，随着调制信号的相对相位的变化，与正向或反向传播光子的耦合从强减少到极小。接下来，研究人员增加了探针信号的强度，足以使原子的第一次跃迁饱和。此时，他们观察到了所谓的莫洛三重态，这是一种众所周知的量子光学现象，从而表明相互作用的手性不仅限于对单个光子起作用。最后，他们探测了人造原子第一和第二激发态之间的跃迁，表明这些态之间的耦合也可以是手性的。他们还观察到探测光子的相位是如何根据原子的状态而变化的。通过这样做，他们实现了原子和光子之间的量子逻辑门。

自然的下一步是证明新的手性装置可以传输的不仅仅是简单的微波光子流。例如，该团队可以尝试将量子态从一个人造原子转移到另一个人造原子，然后再转移回来。这样的演示将构成利用超导人造原子构建大型量子网络的重要一步。实现大型网络需要进一步抑制设置中的损耗通道并增加人造原子和波导之间的耦合强度。然而，这些改进应该很容易实现。

这项研究于6月26日发表在《物理评论X》期刊上。

DOI：10./PhysRevX.13.