记者 / 王蕙蓉　　

　　近期，清华大学团队在微波量子消息料理范畴取得进展，初次借助超导量子电路，成功制备相关态飞行微波光子的多体“薛定谔猫”态，使鉴于微波光子的量子网站和模块化量子计算成为可能。

　　著名思想实验：“薛定谔的猫”

　　获悉，在量子力学范畴中有众多历史悠久的思想实验。此中许多数用以指明量子力学中可能存留的破绽。

　　1935年，理论物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schr?dinger)设想了一种著名的思想实验，以阐述量子力学中的悖论。

　　假如把一只猫关在装有放射源及有毒气体的封闭房间里，放射源在单位时间内有必定的概率会产生衰变。当检验到放射源衰变时，有毒气体就会解放，猫就会死。假如放射源无产生衰变的话，猫就存活。

　　而依据量子力学中的哥本哈根诠释(Copenhagen interpretation)，物理体系的属性却非确定，只能应用量子力学的几率术语来衡量其属性，而且测量举止会对体系发生作用，形成几率集缩短到众多可能值中的一种，这被称为波函数坍缩(wave-function collapse)。

　　因而，观测在量子力学中扮演着要紧的角色。回到“薛定谔猫”思想实验，这意指着通过了一段时间以后，猫处于同一时间活着和死去的状况。但当你往房间里看的时刻，这种刹那你会见到猫是活着或死去的某一种状况。

　　依据薛定谔的想法，原子可能同一时间以两种不同的状况存留，即量子叠加，假如在原子和宏观物体间发生相互效用，将他们“纠缠”起来，这时宏观物体可能处于一个奇怪的叠加态。

　　有限于两体的“薛定谔猫”

　　随着科学家对量子力学理论的进一步探讨，新的难题随之发生：假如房间中不止一只猫呢？依照量子理论的当然逻辑，这点猫不但处于同一时间活着和死去的状况，而且“同生共死”，即他们不但处在多体的量子叠加态，而且互相存留超过经典关联的量子纠缠。

　　前述宏观物体或经典态之中的量子纠缠是一种有趣的科学难题，而且在好多量子技艺中有要紧利用。但制备多体“薛定谔猫”在技艺上具备挑战性。由于用以模拟“猫”生死的经典态通常处在高维度的希尔伯特体积(Hilbert Space)中，存留惨重的环境退相关，导致此中的量子效应不容易被观测。

　　之前，世界上仅实现过对两体“薛定谔猫”的制备。“最最重要的的原因是缺乏适合的实验方案。”清华大学交叉消息探讨院副探讨员张宏毅对澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者说道，耶鲁大学的探讨组在2016年最早实现了两体的半经典态之中的量子纠缠，其效果发表在《科学》(Science)上。“它们用两个超导微波谐振腔各自承载两体微波相关态的量子叠加，但这类体系的扩展性很差：一方面，实现多体量子态须要好多超导微波谐振腔；另一方面，把统一个量子比特与这点谐振腔一起耦合起来也十分难题。”

　　会“飞”的多体“薛定谔猫”

　　为了实现多体“薛定谔猫”的制备，清华大学交叉消息探讨院讲席教授段路明、副探讨员张宏毅等探讨组，采纳另一个探讨思路，应用相位相反的相关态飞行微波光子模拟猫的“生”和“死”。

　　这次，团队借助飞行微波光子，在包涵超导量子比特的谐振腔端口的反射进程，实现了超导量子比特和相关态微波光子的量子纠缠，并经过延续反射若干相关态微波光子脉冲，终归实现了“飞”起来的多体“薛定谔猫”。相干论文《A flying Schr?dinger’s cat in multipartite entangled states（多体量子纠缠的飞行薛定谔猫态）》发表于《科学进展》(Science Advances)。

　　“咱们采纳不同一时间刻的飞行微波光子脉冲定义多体量子态，用微波谐振腔和超导量子比特的体系，实现了不同一时间刻的微波光子脉冲之中的量子纠缠。”张宏毅向澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者推荐，“咱们的方案比较此前的实验，在扩展性方面获得显著的改良，确保了咱们顺利观看到多体半经典态之中的量子纠缠。”

　　他显示，飞行微波光子比较此前的实验具备更没有问题扩展性。“其次，比较光学波段（波长在百纳米量级）的实验体系，微波波段的超导量子电路具备很没有问题调控性，有助于咱们实现更高品质的实现体系和更明确的体系参数。”

　　从理论到实践的“四体”突破

　　清华大学团队这次探讨理论根基是段路明和美国加州理工大学教授Jeff Kimble在2004年合作提议的Duan-Kimble可扩展光量子计算方案。

　　该方案提议，可行应用高品质的谐振腔协助实现飞行光量子比特之中的受控量子门操作，继而实现可扩展的光量子计算。其焦点内容是指明了借助飞行光子从某个含有量子比特的谐振腔中反射的进程，可行实现飞行光子和量子比特的受控量子门操作和量子纠缠。

　　“这种方案简练明了，技艺上的可以性极高，是日前实现飞行光量子比特和局域量子比特之中相互纠缠的主流方法之一。”张宏毅说道，“这还为延续好多要紧的实验，例如实现非破坏性单光子探测器、单光子二极管等量子器件，提供了理论根基。”

　　鉴于前述方案，段路明与合作者在2005年提议可行实现相关态飞行光子的量子叠加，即所谓的“薛定谔猫”态。“这为咱们这次探讨提供了最干脆的理论根据。”

　　在这一理论根基上，清华大学段路明探讨组从多体飞行微波光子态的密度矩阵出发，应用可局域量子纠缠的方法认证了直到四体“猫”态中的量子纠缠，这也是初次在实验中成功制备超越两体的半经典态之中量子纠缠。

　　另外，经过重构超导量子比特和多体“猫”态这种混合量子体系的密度矩阵，团队确认了这两种本质上截然不同的量子态之中的量子纠缠。该事业提议了一个高度可扩展的多体“薛定谔猫”态制备方案。

　　审稿人评价称，清华大学团队初次实现了高达四体的“薛定谔猫”态的制备，即确定性地实现了若干相关态微波光子之中、以及他们与超导量子比特之中的纠缠。

　　将“薛定谔猫”推向利用范畴

　　“这次实验的最重要的装置与一辆超导量子计算机相似，同一时间包括一辆稀释制冷机给超导量子芯片降温，少许微波信号源和波形生成装置提供实验须要的微波信号。”张宏毅说道，“实验装置的焦点是超导量子电路，包涵一种超导微波谐振腔和一种超导量子比特，‘薛定谔猫’态的制备依赖于咱们对超导量子比特量子态的精准操控。”

　　他显示，团队设置这种实验的一种最重要的动机是期望借助飞行微波光子，实现超导量子比特之中的远程量子纠缠，继而实现超导量子电路的量子网站和模块化量子计算。“在这种探讨中，咱们实现了飞行微波光子的‘薛定谔猫’态和超导量子比特之中的量子纠缠，后面咱们期望能够借助‘薛定谔猫’态实现超导量子比特的远程量子纠缠，探讨‘猫’态在抵抗源于微波线路损失导致的量子态失真方面的优势。”

　　因而，鉴于飞行微波光子的多体“猫”态在好多量子技艺中有要紧的利用。除了使鉴于微波光子的量子网站和模块化量子计算成为可能，多体“猫”态之间的量子纠缠还可能提升雷达的探测精度，实现抗噪性更高的“量子雷达”。“另一方面，咱们还计划探寻‘薛定谔猫’态在微波量子光学、实现新款微波光量子器件等方面的利用。”