清华首次实现四体“薛定谔猫”态 有助量子计算与量子网络

多体“薛定谔的猫”示意图，图片来自清华大学

著名思想实验：“薛定谔的猫”

1935年，理论物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)设想了一个著名的思想实验，以阐述量子力学中的悖论。

如果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一定的几率会发生衰变。当检测到放射源衰变时，有毒气体就会释放，猫就会死。如果放射源没有发生衰变的话，猫就存活。

而根据量子力学中的哥本哈根诠释(Copenhagen interpretation)，物理系统的属性并非确定，只能利用量子力学的概率术语来衡量其属性，并且测量行为会对系统产生影响，造成概率集缩小到许多可能值中的一个，这被称为波函数坍缩(wave-function collapse)。

因此，观测在量子力学中扮演着重要的角色。回到“薛定谔猫”思想实验，这意味着过了一段时间之后，猫处于同时活着和死去的状态。但当你往房间里看的时候，这个瞬间你会看到猫是活着或死去的某一个状态。

根据薛定谔的想法，原子可能同时以两种不同的状态存在，即量子叠加，如果在原子和宏观物体间产生相互作用，将它们“纠缠”起来，这时宏观物体可能处于一种奇怪的叠加态。

局限于两体的“薛定谔猫”

随着科学家对量子力学理论的进一步研究，新的问题随之产生：如果房间中不止一只猫呢？按照量子理论的自然逻辑，这些猫不仅处于同时活着和死去的状态，并且“同生共死”，即它们不仅处在多体的量子叠加态，并且互相存在超越经典关联的量子纠缠。

前述宏观物体或经典态之间的量子纠缠是一个有趣的科学问题，并且在很多量子技术中有重要应用。但制备多体“薛定谔猫”在技术上具有挑战性。因为用来模拟“猫”生死的经典态一般处在高维度的希尔伯特空间(Hilbert Space)中，存在严重的环境退相干，导致其中的量子效应很难被观测。

此前，国际上仅实现过对两体“薛定谔猫”的制备。“最主要的原因是缺乏合适的实验方案。”清华大学交叉信息研究院副研究员张宏毅对澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者说道，耶鲁大学的研究组在2016年最早实现了两体的半经典态之间的量子纠缠，其成果发表在《科学》(Science)上。“他们用两个超导微波谐振腔各自承载两体微波相干态的量子叠加，但这种系统的扩展性很差：一方面，实现多体量子态需要很多超导微波谐振腔；另一方面，把同一个量子比特与这些谐振腔一同耦合起来也非常困难。”

会“飞”的多体“薛定谔猫”

为了实现多体“薛定谔猫”的制备，清华大学交叉信息研究院讲席教授段路明、副研究员张宏毅等研究组，采用另一种研究思路，利用相位相反的相干态飞行微波光子模拟猫的“生”和“死”。

此次，团队借助飞行微波光子，在包含超导量子比特的谐振腔端口的反射过程，实现了超导量子比特和相干态微波光子的量子纠缠，并通过连续反射多个相干态微波光子脉冲，最终实现了“飞”起来的多体“薛定谔猫”。相关论文《A flying Schrödinger’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)。

图片来自《科学进展》(Science Advances)

“我们采用不同时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系统，实现了不同时刻的微波光子脉冲之间的量子纠缠。”张宏毅向澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者介绍，“我们的方案相比之前的实验，在扩展性方面得到明显的改进，保证了我们顺利观察到多体半经典态之间的量子纠缠。”

他表示，飞行微波光子相比之前的实验具有更好的扩展性。“其次，相比光学波段（波长在百纳米量级）的实验系统，微波波段的超导量子电路具有很好的调控性，有助于我们实现更高质量的实现系统和更准确的系统参数。”

从理论到实践的“四体”突破

清华大学团队此次研究理论基础是段路明和美国加州理工大学教授Jeff Kimble在2004年合作提出的Duan-Kimble可扩展光量子计算方案。

该方案提出，可以利用高质量的谐振腔辅助实现飞行光量子比特之间的受控量子门操作，进而实现可扩展的光量子计算。其核心内容是指出了借助飞行光子从某个含有量子比特的谐振腔中反射的过程，可以实现飞行光子和量子比特的受控量子门操作和量子纠缠。

“这个方案简洁明了，技术上的可行性极高，是目前实现飞行光量子比特和局域量子比特之间相互纠缠的主流方法之一。”张宏毅说道，“这还为后续很多重要的实验，比如实现非破坏性单光子探测器、单光子二极管等量子器件，提供了理论基础。”

基于前述方案，段路明与合作者在2005年提出可以实现相干态飞行光子的量子叠加，即所谓的“薛定谔猫”态。“这为我们此次研究提供了最直接的理论依据。”

在这一理论基础上，清华大学段路明研究组从多体飞行微波光子态的密度矩阵出发，利用可局域量子纠缠的方法验证了直到四体“猫”态中的量子纠缠，这也是首次在实验中成功制备超过两体的半经典态之间量子纠缠。

实验中重构得到的多体“猫”态的密度矩阵，图片来自清华大学

此外，通过重构超导量子比特和多体“猫”态这个混合量子系统的密度矩阵，团队确认了这两种本质上截然不同的量子态之间的量子纠缠。该工作提出了一种高度可扩展的多体“薛定谔猫”态制备方案。

审稿人评价称，清华大学团队首次实现了多达四体的“薛定谔猫”态的制备，即确定性地实现了多个相干态微波光子之间、以及它们与超导量子比特之间的纠缠。

将“薛定谔猫”推向应用领域

“此次实验的主要装置与一台超导量子计算机类似，同时包括一台稀释制冷机给超导量子芯片降温，一些微波信号源和波形生成装置提供实验需要的微波信号。”张宏毅说道，“实验装置的核心是超导量子电路，包含一个超导微波谐振腔和一个超导量子比特，‘薛定谔猫’态的制备依赖于我们对超导量子比特量子态的精确控制。”

他表示，团队设计这个实验的一个主要动机是希望借助飞行微波光子，实现超导量子比特之间的远程量子纠缠，进而实现超导量子电路的量子网络和模块化量子计算。“在这个研究中，我们实现了飞行微波光子的‘薛定谔猫’态和超导量子比特之间的量子纠缠，后面我们希望能够借助‘薛定谔猫’态实现超导量子比特的远程量子纠缠，研究‘猫’态在抵抗由于微波线路损耗导致的量子态失真方面的优势。”

因此，基于飞行微波光子的多体“猫”态在很多量子技术中有重要的应用。除了使基于微波光子的量子网络和模块化量子计算成为可能，多体“猫”态之中的量子纠缠还可能提高雷达的探测精度，实现抗噪性更高的“量子雷达”。“另一方面，我们还计划探索‘薛定谔猫’态在微波量子光学、实现新型微波光量子器件等方面的应用。”