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

  近日，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，首次在實(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，該成果論文《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)）》近日發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Science Advances》。

  1935年，物理學(xué)家薛定諤（Erwin Schr?dinger）為了闡述量子力學(xué)中的悖論，提出了一個(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn)。根據(jù)薛定諤的想法，原子可能同時(shí)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(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)。薛定諤用一只貓來(lái)說(shuō)明這種情況，設(shè)想一個(gè)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(jī)械裝置打破瓶子、釋放毒藥，那么貓必死無(wú)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，即著名的“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”，如圖一所示。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(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(gè)有趣的科學(xué)問題，并且在很多量子技術(shù)中有重要的應(yīng)用。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?lái)模擬“貓”的生死的經(jīng)典態(tài)一般處在高維度的希爾伯特空間中，往往存在嚴(yán)重的退相干，導(dǎo)致其中的量子效應(yīng)很難被觀測(cè)到。

  圖一：多體“薛定諤的貓”示意圖

  此項(xiàng)工作的理論基礎(chǔ)是段路明教授與其合作者提出的Duan-Kimble可擴(kuò)展光量子計(jì)算方案，該方案借助腔電動(dòng)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；通過連續(xù)反射多個(gè)相干態(tài)微波光子脈沖實(shí)現(xiàn)了多體“薛定諤貓”態(tài)（multipartite Schr?dinger’s cat state）的制備。如圖二所示，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(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。研究人員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，這也是實(shí)驗(yàn)中首次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(gè)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。

圖二：實(shí)驗(yàn)中重構(gòu)得到的多體“貓”態(tài)的密度矩陣

  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)制備方案?；陲w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，比如基于多體“貓”態(tài)可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)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(jì)算成為可能。此外，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(cè)精度，實(shí)現(xiàn)抗噪性更高的“量子雷達(dá)”。

  該論文的共同第一作者為清華大學(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，其他作者包括交叉信息研究院博士生李嚴(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。該項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)11874235、11925404）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)2017YFA0304303、2020YFA0309500）、教育部量子信息前沿科學(xué)中心、清華大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)2020B0303030001）和清華大學(xué)國(guó)強(qiáng)研究院（項(xiàng)目編號(hào)2019GQG1024）的資助與支持。 

  論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn1778