近日，清華大學(xué)段路明研究組在微波量子信息處理領(lǐng)域取得進(jìn)展，借助超導(dǎo)量子電路，成功制備相干態(tài)飛行微波光子的多體“薛定諤貓”態(tài)，有助于實(shí)現(xiàn)一系列基于“貓”態(tài)的量子計算和量子應(yīng)用。

從“薛定諤的貓”到多體“貓”態(tài)

1935年，物理學(xué)家薛定諤(Erwin Schrdinger)為了闡述量子力學(xué)中的悖論，提出了一個的思想實(shí)驗(yàn)。根據(jù)薛定諤的想法，原子可能同時以兩種不同的狀態(tài)存在（即量子疊加）。如果在原子和宏觀物體間產(chǎn)生相互作用，將它們“糾纏”起來，這時宏觀物體可能處于一種奇怪的疊加態(tài)。

薛定諤用一只貓來形容這種疊加態(tài)。設(shè)想一個封閉的房間里有一只貓和一瓶，如果原子的衰變能夠觸發(fā)機(jī)械裝置打破瓶子、釋放，那么貓必死無疑。但考慮到原子可能處在衰變或者未發(fā)生衰變的疊加態(tài)，這意味著房間里可能存在一只“又死又活”貓，即的“薛定諤的貓”。

如果房間中有不止一只貓呢？按照量子理論的自然邏輯，這些貓不僅“又死又活”，而且“同生共死”。這意味著，這些貓不僅處在多體的量子疊加態(tài)，并且它們之間存在超越經(jīng)典關(guān)聯(lián)的量子糾纏。這種宏觀物體或者經(jīng)典態(tài)之間的量子糾纏，不僅是一個有趣的科學(xué)問題，還在很多量子技術(shù)中具有重要應(yīng)用。

多體“薛定諤的貓”示意圖，圖片來自清華大學(xué)但制備多體“薛定諤的貓”在技術(shù)上十分具有挑戰(zhàn)性，這是因?yàn)橛脕砟M“貓”生死的經(jīng)典態(tài)一般處在高維度的希爾伯特空間(Hilbert Space)中，往往存在嚴(yán)重的退相干，即由于環(huán)境會對量子系統(tǒng)發(fā)生耦合干擾，使得系統(tǒng)的相干性不可避免地流失。這導(dǎo)致其中的量子效應(yīng)很難被觀測到。多體“薛定諤貓”態(tài)的成功制備

此次，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在微波量子信息處理領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，在實(shí)驗(yàn)中，借助超導(dǎo)量子電路成功制備了相干態(tài)飛行微波光子的多體“薛定諤貓”態(tài)，并驗(yàn)證了不同“貓”態(tài)之間以及多體“貓”態(tài)和超導(dǎo)量子比特之間的量子糾纏，相關(guān)成果近日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)。

圖片來自《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)此項(xiàng)工作的理論基礎(chǔ)是段路明與其合作者提出的Duan-Kimble可擴(kuò)展光量子計算方案，該方案借助腔電動力學(xué)體系實(shí)現(xiàn)了飛行光量子和原子之間的量子糾纏。在本實(shí)驗(yàn)中，研究人員利用相位相反的相干態(tài)飛行微波光子模擬貓的“生”和“死”，借助飛行微波光子在包含超導(dǎo)量子比特的諧振腔端口的反射過程，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特和相干態(tài)微波光子的量子糾纏，即“薛定諤貓”態(tài)的制備。隨后，通過連續(xù)反射多個相干態(tài)微波光子脈沖，實(shí)現(xiàn)了多體“薛定諤貓”態(tài)的制備。

實(shí)驗(yàn)中重構(gòu)得到的多體“貓”態(tài)的密度矩陣，圖片來自清華大學(xué)研究人員在高維度的希爾伯特空間中利用量子態(tài)層析方法重構(gòu)飛行微波光子的量子態(tài)，確認(rèn)了直到四體“貓”態(tài)的成功制備。他們從多體飛行微波光子態(tài)的密度矩陣出發(fā)，利用可局域量子糾纏的方法驗(yàn)證了直到四體“貓”態(tài)中的量子糾纏，這也是在實(shí)驗(yàn)中成功制備超過兩體的半經(jīng)典態(tài)之間的量子糾纏。此外，通過重構(gòu)超導(dǎo)量子比特和多體“貓”態(tài)這個混合量子系統(tǒng)的密度矩陣，研究人員確認(rèn)了這兩種本質(zhì)上截然不同的量子態(tài)之間的量子糾纏。這項(xiàng)工作提出了一種高度可擴(kuò)展的多體“薛定諤貓”態(tài)的制備方案。基于飛行微波光子的多體“貓”態(tài)在量子技術(shù)中具有重要的應(yīng)用：例如，基于多體“貓”態(tài)可以實(shí)現(xiàn)容錯的超導(dǎo)量子比特遠(yuǎn)程糾纏，使得基于微波光子的量子網(wǎng)絡(luò)和模塊化量子計算成為可能；利用多體“貓”態(tài)之中的量子糾纏還可能提高雷達(dá)的探測精度，實(shí)現(xiàn)抗噪性更高的“量子雷達(dá)”。此次研究成果將有助于實(shí)現(xiàn)一系列基于“貓”態(tài)的量子計算和量子信息處理協(xié)議。

該論文的共同作者為清華大學(xué)交叉信息研究院博士生王志凌和鮑增暉，通訊作者為張宏毅副研究員和段路明教授，其他作者包括博士生李嚴(yán)、蔡偉州、王韋婷、馬雨瑋、蔡天奇、韓璽月、王家輝、吳宇愷助理教授、宋祎璞研究員和孫麓巖副教授。