超导量子电路系统是基于约瑟夫森效应的一种新型人工量子系统。相对于其它量子系统，超导量子电路系统具有调控的灵活性以及可集成扩展性的优势，易于以较强的相互作用强度与其它的系统进行耦合。近期的研究进展都表明，超导量子电路是实现量子计算最有竞争力的量子系统。目前，实验室已经实现了十几个量子比特的超导量子计算。

基于该系统，人们已经展示了量子光学和原子物理中的各种非经典现象，尤其在量子计算、量子探测等领域，超导量子电路系统发挥着重要的作用。超导量子电路系统在量子调控领域已经取得了丰富的成果，并被广泛地认为是一个性能良好的量子调控平台。

量子电路系统另一个优势就是能很好的跟其它量子系统进行耦合，形成量子混合电路系统。其中，超导混合电路系统同时继承了超导系统和子其它系统的优良特点，也规避了各自的弱点，形成了适合多种需求的量子平台。例如，将超导比特和微波腔耦合起来，是优良的量子电动力学系统；将超导比特和机械谐振子组合起来，可以形成量子的微机电结构系统,可以用于量子信号的测量、调控和信息传递；超导量子器件和相干时间较长的自旋系统耦合起来，可作为优良的信息存储器件，也可以作为精密磁测量的工具。基于超导比特的混合系统的制备已经是一个成熟的研究领域，世界上有很多研究机构已展开了这方面的研究。我们重点关注超导量子系统，及与其它系统组成的混合系统的量子相干调控的各种性质，及可能的潜在应用。

天然原子的尺寸一般在0.1nm附近 ,而相互作用的光波在几百纳米左右。由于光波长远大于原子尺寸， 可以假设原子偶极矩只能感受某一点的光场，光场强度和位置无关，这就是在 QED 理论中非常重要的偶极近似。但是在巨型原子系统中，原子尺寸和相互作用的光子波长在同一个量级（如图所示）， 偶极近似不再成立。 巨型原子效应是超导量子电路系统中特有的现象。 这是由于超导量子比特的尺寸很大， 还可以很容易和光学或声学波导实现多点耦合。由于偶极近似的失效，巨型原子系统中存在很多传统 QED 体系无法观测到的奇异现象。

另一方面，在光与物质相互作用的研究中，光子可以存在于真空、腔、波导等介质中，介质的性质（色散或模式分布）会对动力学产生直接影响。传统天然原子较小，并且能谱固定。因此光子辐射的调控都是从光子环境的角度入手。能否从原子调控的角度出发，实现光子输出性质，例如对方向、波形、辐射速率等参数的调控？

2021年，我们发现基于巨型原子的量子干涉，可以实现定向手性束缚态（虚光子），由于手性虚光子的存在，比特只能定向地耦合某个方向的比特，其行为像一个偶极定向雷达。相关工作发表在 Physical Review Letters 上（见上图）。进一步地，为了实现远程的实光子手性传输，我们利用耦合点加载相位的方法，在理论提出了基于巨型原子实现实光子远程传输的手性量子网络。相关工作发表在 Quantum Science and technology上（见下图）。