記者 / 王蕙蓉　　

　　近期，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)在微波量子信息處理領(lǐng)域取得進(jìn)展，首次借助超導(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)，使基于微波光子的量子網(wǎng)絡(luò)和模塊化量子計(jì)算成為可能。

多體“薛定諤的貓”示意圖，圖片來(lái)自清華大學(xué)

　　著名思想實(shí)驗(yàn)：“薛定諤的貓”

　　據(jù)悉，在量子力學(xué)領(lǐng)域中有許多歷史悠久的思想實(shí)驗(yàn)。其中大多數(shù)用來(lái)指出量子力學(xué)中可能存在的破綻。

　　1935年，理論物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤(Erwin Schr?dinger)設(shè)想了一個(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn)，以闡述量子力學(xué)中的悖論。

　　如果把一只貓關(guān)在裝有放射源及有毒氣體的封閉房間里，放射源在單位時(shí)間內(nèi)有一定的幾率會(huì)發(fā)生衰變。當(dāng)檢測(cè)到放射源衰變時(shí)，有毒氣體就會(huì)釋放，貓就會(huì)死。如果放射源沒(méi)有發(fā)生衰變的話，貓就存活。

　　而根據(jù)量子力學(xué)中的哥本哈根詮釋(Copenhagen interpretation)，物理系統(tǒng)的屬性并非確定，只能利用量子力學(xué)的概率術(shù)語(yǔ)來(lái)衡量其屬性，并且測(cè)量行為會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，造成概率集縮小到許多可能值中的一個(gè)，這被稱(chēng)為波函數(shù)坍縮(wave-function collapse)。

　　因此，觀測(cè)在量子力學(xué)中扮演著重要的角色。回到“薛定諤貓”思想實(shí)驗(yàn)，這意味著過(guò)了一段時(shí)間之后，貓?zhí)幱谕瑫r(shí)活著和死去的狀態(tài)。但當(dāng)你往房間里看的時(shí)候，這個(gè)瞬間你會(huì)看到貓是活著或死去的某一個(gè)狀態(tài)。

　　根據(jù)薛定諤的想法，原子可能同時(shí)以?xún)煞N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(lái)，這時(shí)宏觀物體可能處于一種奇怪的疊加態(tài)。

　　局限于兩體的“薛定諤貓”

　　隨著科學(xué)家對(duì)量子力學(xué)理論的進(jìn)一步研究，新的問(wèn)題隨之產(chǎn)生：如果房間中不止一只貓呢？按照量子理論的自然邏輯，這些貓不僅處于同時(shí)活著和死去的狀態(tài)，并且“同生共死”，即它們不僅處在多體的量子疊加態(tài)，并且互相存在超越經(jīng)典關(guān)聯(lián)的量子糾纏。

　　前述宏觀物體或經(jīng)典態(tài)之間的量子糾纏是一個(gè)有趣的科學(xué)問(wèn)題，并且在很多量子技術(shù)中有重要應(yīng)用。但制備多體“薛定諤貓”在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性。因?yàn)橛脕?lái)模擬“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，存在嚴(yán)重的環(huán)境退相干，導(dǎo)致其中的量子效應(yīng)很難被觀測(cè)。

　　此前，國(guó)際上僅實(shí)現(xiàn)過(guò)對(duì)兩體“薛定諤貓”的制備。“最主要的原因是缺乏合適的實(shí)驗(yàn)方案。”清華大學(xué)交叉信息研究院副研究員張宏毅對(duì)澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者說(shuō)道，耶魯大學(xué)的研究組在2016年最早實(shí)現(xiàn)了兩體的半經(jīng)典態(tài)之間的量子糾纏，其成果發(fā)表在《科學(xué)》(Science)上。“他們用兩個(gè)超導(dǎo)微波諧振腔各自承載兩體微波相干態(tài)的量子疊加，但這種系統(tǒng)的擴(kuò)展性很差：一方面，實(shí)現(xiàn)多體量子態(tài)需要很多超導(dǎo)微波諧振腔；另一方面，把同一個(gè)量子比特與這些諧振腔一同耦合起來(lái)也非常困難。”

　　會(huì)“飛”的多體“薛定諤貓”

　　為了實(shí)現(xiàn)多體“薛定諤貓”的制備，清華大學(xué)交叉信息研究院講席教授段路明、副研究員張宏毅等研究組，采用另一種研究思路，利用相位相反的相干態(tài)飛行微波光子模擬貓的“生”和“死”。

　　此次，團(tuán)隊(duì)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(guò)程，實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)量子比特和相干態(tài)微波光子的量子糾纏，并通過(guò)連續(xù)反射多個(gè)相干態(tài)微波光子脈沖，最終實(shí)現(xiàn)了“飛”起來(lái)的多體“薛定諤貓”。相關(guān)論文《A flying Schr?dinger’s cat in multipartite entangled states（多體量子糾纏的飛行薛定諤貓態(tài)）》發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)。

圖片來(lái)自《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)

　　“我們采用不同時(shí)刻的飛行微波光子脈沖定義多體量子態(tài)，用微波諧振腔和超導(dǎo)量子比特的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同時(shí)刻的微波光子脈沖之間的量子糾纏。”張宏毅向澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者介紹，“我們的方案相比之前的實(shí)驗(yàn)，在擴(kuò)展性方面得到明顯的改進(jìn)，保證了我們順利觀察到多體半經(jīng)典態(tài)之間的量子糾纏。”

　　他表示，飛行微波光子相比之前的實(shí)驗(yàn)具有更好的擴(kuò)展性。“其次，相比光學(xué)波段（波長(zhǎng)在百納米量級(jí)）的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，微波波段的超導(dǎo)量子電路具有很好的調(diào)控性，有助于我們實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和更準(zhǔn)確的系統(tǒng)參數(shù)。”

　　從理論到實(shí)踐的“四體”突破

　　清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)此次研究理論基礎(chǔ)是段路明和美國(guó)加州理工大學(xué)教授Jeff Kimble在2004年合作提出的Duan-Kimble可擴(kuò)展光量子計(jì)算方案。

　　該方案提出，可以利用高質(zhì)量的諧振腔輔助實(shí)現(xiàn)飛行光量子比特之間的受控量子門(mén)操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的光量子計(jì)算。其核心內(nèi)容是指出了借助飛行光子從某個(gè)含有量子比特的諧振腔中反射的過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)飛行光子和量子比特的受控量子門(mén)操作和量子糾纏。

圖片來(lái)自論文

　　“這個(gè)方案簡(jiǎn)潔明了，技術(shù)上的可行性極高，是目前實(shí)現(xiàn)飛行光量子比特和局域量子比特之間相互糾纏的主流方法之一。”張宏毅說(shuō)道，“這還為后續(xù)很多重要的實(shí)驗(yàn)，比如實(shí)現(xiàn)非破壞性單光子探測(cè)器、單光子二極管等量子器件，提供了理論基礎(chǔ)。”

　　基于前述方案，段路明與合作者在2005年提出可以實(shí)現(xiàn)相干態(tài)飛行光子的量子疊加，即所謂的“薛定諤貓”態(tài)。“這為我們此次研究提供了最直接的理論依據(jù)。”

　　在這一理論基礎(chǔ)上，清華大學(xué)段路明研究組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，這也是首次在實(shí)驗(yàn)中成功制備超過(guò)兩體的半經(jīng)典態(tài)之間量子糾纏。

實(shí)驗(yàn)中重構(gòu)得到的多體“貓”態(tài)的密度矩陣，圖片來(lái)自清華大學(xué)

　　此外，通過(guò)重構(gòu)超導(dǎo)量子比特和多體“貓”態(tài)這個(gè)混合量子系統(tǒng)的密度矩陣，團(tuán)隊(duì)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。該工作提出了一種高度可擴(kuò)展的多體“薛定諤貓”態(tài)制備方案。

　　審稿人評(píng)價(jià)稱(chēng)，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了多達(dá)四體的“薛定諤貓”態(tài)的制備，即確定性地實(shí)現(xiàn)了多個(gè)相干態(tài)微波光子之間、以及它們與超導(dǎo)量子比特之間的糾纏。

　　將“薛定諤貓”推向應(yīng)用領(lǐng)域

　　“此次實(shí)驗(yàn)的主要裝置與一臺(tái)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)類(lèi)似，同時(shí)包括一臺(tái)稀釋制冷機(jī)給超導(dǎo)量子芯片降溫，一些微波信號(hào)源和波形生成裝置提供實(shí)驗(yàn)需要的微波信號(hào)。”張宏毅說(shuō)道，“實(shí)驗(yàn)裝置的核心是超導(dǎo)量子電路，包含一個(gè)超導(dǎo)微波諧振腔和一個(gè)超導(dǎo)量子比特，‘薛定諤貓’態(tài)的制備依賴(lài)于我們對(duì)超導(dǎo)量子比特量子態(tài)的精確控制。”

　　他表示，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)主要?jiǎng)訖C(jī)是希望借助飛行微波光子，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特之間的遠(yuǎn)程量子糾纏，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子電路的量子網(wǎng)絡(luò)和模塊化量子計(jì)算。“在這個(gè)研究中，我們實(shí)現(xiàn)了飛行微波光子的‘薛定諤貓’態(tài)和超導(dǎo)量子比特之間的量子糾纏，后面我們希望能夠借助‘薛定諤貓’態(tài)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特的遠(yuǎn)程量子糾纏，研究‘貓’態(tài)在抵抗由于微波線路損耗導(dǎo)致的量子態(tài)失真方面的優(yōu)勢(shì)。”

　　因此，基于飛行微波光子的多體“貓”態(tài)在很多量子技術(shù)中有重要的應(yīng)用。除了使基于微波光子的量子網(wǎng)絡(luò)和模塊化量子計(jì)算成為可能，多體“貓”態(tài)之中的量子糾纏還可能提高雷達(dá)的探測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)抗噪性更高的“量子雷達(dá)”。“另一方面，我們還計(jì)劃探索‘薛定諤貓’態(tài)在微波量子光學(xué)、實(shí)現(xiàn)新型微波光量子器件等方面的應(yīng)用。”