清華大學首次借助超導量子電路成功制備飛行微波光子的多體“薛定諤貓”態(tài)

3月14日消息（余予）來自清華大學的消息顯示，近日，清華大學交叉信息研究院段路明研究組在微波量子信息處理領域取得重要進展，首次在實驗中借助超導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)，并驗證了不同“貓”態(tài)之間以及多體“貓”態(tài)和超導量子比特之間的量子糾纏。

據悉，1935年，物理學家薛定諤（Erwin Schrödinger）為闡述量子力學中的悖論，提出了一個著名的思想實驗，即“薛定諤的貓”。根據薛定諤的想法，原子可能同時以兩種不同的狀態(tài)存在，這稱作量子疊加，如果在原子和宏觀物體間產生相互作用，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)。薛定諤用一只貓來說明這種情況，設想一個封閉的房間里有一只貓和一瓶毒藥，如果原子的衰變能夠觸發(fā)機械裝置打破瓶子、釋放毒藥，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。

但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”。即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典關聯的量子糾纏。這種宏觀物體或者經典態(tài)之間的量子糾纏不僅是一個有趣的科學問題，并且在很多量子技術中有重要的應用。

制備多體“薛定諤的貓”在技術上十分具有挑戰(zhàn)性，這是因為用來模擬“貓”的生死的經典態(tài)一般處在高維度的希爾伯特空間中，往往存在嚴重的退相干，導致其中的量子效應很難被觀測到。

對此，基于段路明教授與其合作者提出的Duan-Kimble可擴展光量子計算方案，在實驗過程中，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量子比特的諧振腔端口的反射過程實現超導量子比特和相干態(tài)微波光子的量子糾纏，即“薛定諤貓”態(tài)的制備；通過連續(xù)反射多個相干態(tài)微波光子脈沖實現了多體“薛定諤貓”態(tài)（multipartite Schrödinger’s cat state）的制備。

實驗中重構得到的多體“貓”態(tài)的密度矩陣

如圖所示，研究人員在高維度的希爾伯特空間中利用量子態(tài)層析方法重構飛行微波光子的量子態(tài)，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證了直到四體“貓”態(tài)中的量子糾纏，這也是實驗中首次成功制備超過兩體的半經典態(tài)之間的量子糾纏。

除此之外，通過重構超導量子比特和多體“貓”態(tài)這個混合量子系統(tǒng)的密度矩陣，研究人員確認了這兩種本質上截然不同的量子態(tài)之間的量子糾纏。

這項工作提出了一種高度可擴展的多體“薛定諤貓”態(tài)制備方案。基于飛行微波光子的多體“貓”態(tài)在很多量子技術中有重要的應用，比如基于多體“貓”態(tài)可以實現容錯的超導量子比特遠程糾纏，使得基于微波光子的量子網絡和模塊化量子計算成為可能。并且，利用多體“貓”態(tài)之中的量子糾纏還可能提高雷達的探測精度，實現抗噪性更高的“量子雷達”。

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