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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)

摘要:清華大學(xué)科研團隊首次在實驗中借助超導(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。

  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)域取得重要進展,首次在實驗中借助超導(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,提出了一個著名的思想實驗。根據(jù)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(chǎn)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(shè)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,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,這是因為用來模擬“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,往往存在嚴重的退相干,導(dǎo)致其中的量子效應(yīng)很難被觀測到。

  圖一:多體“薛定諤的貓”示意圖

  此項工作的理論基礎(chǔ)是段路明教授與其合作者提出的Duan-Kimble可擴展光量子計算方案,該方案借助腔電動力學(xué)體系實現(xiàn)了飛行光量子和原子之間的量子糾纏。在本實驗中,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)反射多個相干態(tài)微波光子脈沖實現(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(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)這個混合量子系統(tǒng)的密度矩陣,研究人員確認了這兩種本質(zhì)上截然不同的量子態(tài)之間的量子糾纏。

圖二:實驗中重構(gòu)得到的多體“貓”態(tài)的密度矩陣

  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(shù)中有重要的應(yīng)用,比如基于多體“貓”態(tài)可以實現(xiàn)容錯的超導(dǎo)量子比特遠程糾纏,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的探測精度,實現(xiàn)抗噪性更高的“量子雷達”。

  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、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。該項目得到了國家自然科學(xué)基金(項目編號11874235、11925404)、國家重點研發(fā)計劃(項目編號2017YFA0304303、2020YFA0309500)、教育部量子信息前沿科學(xué)中心、清華大學(xué)科研啟動項目、廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃(項目編號2020B0303030001)和清華大學(xué)國強研究院(項目編號2019GQG1024)的資助與支持。 

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

內(nèi)容來自:清華大學(xué)交叉信息研究院
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關(guān)鍵字: 量子糾纏
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