薛定諤貓無(wú)論是死的還是活的，左旋還是右旋——在量子世界中，粒子就像著名的薛定諤貓類比一樣，都可以同時(shí)存在?，F(xiàn)在一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，包括來(lái)自幾所頂尖大學(xué)的科學(xué)家，以及來(lái)自Forschungszentrum Julich的科學(xué)家，已經(jīng)成功地將20個(gè)糾纏量子比特轉(zhuǎn)換成這種疊加狀態(tài)。

這種原子薛定諤貓態(tài)的產(chǎn)生，被認(rèn)為是量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要步驟，量子計(jì)算機(jī)在解決某些任務(wù)方面遠(yuǎn)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)，研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)》上。

1935年物理學(xué)家歐文·薛定諤(Erwin Schrodinger)提出了量子貓的思想實(shí)驗(yàn)，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，這只貓被關(guān)在一個(gè)盒子里，里面有放射性樣本、探測(cè)器和致命劑量的毒藥。如果放射性物質(zhì)衰變，探測(cè)器就會(huì)發(fā)出警報(bào)，釋放出有毒物質(zhì)。其特別之處在于，根據(jù)量子力學(xué)的定律，不像日常經(jīng)驗(yàn)，我們不清楚貓是死是活。在這里，這兩種情況都是同時(shí)發(fā)生的，直到實(shí)驗(yàn)人員觀察到為止，只有從這一觀察開(kāi)始，才能得到一個(gè)單一的狀態(tài)。

自20世紀(jì)80年代初以來(lái)，物理學(xué)已經(jīng)能夠利用各種方法在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的疊加。來(lái)自Forschungszentrum Julich的Tommaso Calarco說(shuō)：然而，這些量子貓的狀態(tài)非常敏感，即使是最微小與環(huán)境的熱相互作用也會(huì)導(dǎo)致它們坍塌。除此之外，Calarco還在歐盟量子旗艦計(jì)劃——?dú)W洲重大量子計(jì)劃(major quantum initiative)中發(fā)揮了主導(dǎo)作用。由于這個(gè)原因，在薛定諤貓態(tài)中的量子比特很少，科學(xué)家現(xiàn)在可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)控制50多個(gè)量子比特。

然而，這些量子比特（量子位元）并沒(méi)有顯示薛定諤貓的特殊特性，與之形成對(duì)比的是，科學(xué)家現(xiàn)在使用可編程量子模擬器創(chuàng)建了20個(gè)量子位元，刷新了記錄，即使考慮到其他物理方法，如光學(xué)光子、捕獲離子或超導(dǎo)量子電路，仍然有效。來(lái)自世界上幾個(gè)最著名研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家聯(lián)手開(kāi)發(fā)了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。除了Julich的研究人員，還有來(lái)自美國(guó)許多頂尖大學(xué)的科學(xué)家（哈佛大學(xué)、伯克利大學(xué)、麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院）以及意大利帕多瓦大學(xué)也參與了進(jìn)來(lái)。

來(lái)自Julich的Peter Grunberg研究所的物理學(xué)家(PGI-8)說(shuō)：處于cat狀態(tài)的量子位元被認(rèn)為對(duì)量子技術(shù)的發(fā)展極其重要，未來(lái)量子計(jì)算機(jī)所期望的巨大效率和性能秘密將在這種狀態(tài)的疊加中被發(fā)現(xiàn)。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的經(jīng)典位總是只有一個(gè)特定值，例如由0和1組成。因此，這些值只能逐位處理。由于疊加原理，量子位元可以同時(shí)具有多個(gè)狀態(tài)，可以在一個(gè)步驟中并行地存儲(chǔ)和處理多個(gè)值。量子位數(shù)量在這里是至關(guān)重要的，不可能只用一個(gè)量子位元就能有多少突破。

但是有了20個(gè)量子位元（量子比特），量子疊加態(tài)就超過(guò)了百萬(wàn)，300個(gè)量子位元可以同時(shí)存儲(chǔ)的量比宇宙中的粒子還多。20個(gè)量子位元的新結(jié)果現(xiàn)在更接近這個(gè)值，之前14個(gè)量子位元的舊記錄自2011年以來(lái)一直保持不變。在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家使用了一個(gè)基于Rydberg原子陣列的可編程量子模擬器。在這種方法中，單個(gè)原子，在本研究中是銣原子，被激光束捕獲，并排放在一行中，這項(xiàng)技術(shù)也被稱為光鑷。另一束激光激發(fā)原子，直到它們達(dá)到里德伯狀態(tài)。

在這種狀態(tài)下，電子位于原子核之外很遠(yuǎn)的地方。這個(gè)過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，通常需要花費(fèi)太多的時(shí)間，以至于脆弱的cat狀態(tài)在被測(cè)量之前就被破壞了。研究團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)了在量子最優(yōu)控制方面的專業(yè)知識(shí)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)巧妙地以正確的速度開(kāi)關(guān)激光器，在制備過(guò)程中加快了速度，使這一新記錄成為可能。實(shí)際上使一些原子“膨脹”到這樣的程度，原子殼層與相鄰原子合并，同時(shí)形成兩種相反的構(gòu)型，即占據(jù)所有偶數(shù)或奇數(shù)位置的激發(fā)態(tài)。

波函數(shù)重疊得如此之遠(yuǎn)，就像薛定諤的貓一樣，所以能夠創(chuàng)造出相反構(gòu)型的疊加，也就是格林伯格-霍恩-澤林格態(tài)。在量子研究方面的進(jìn)步，得到了我們中國(guó)科學(xué)家的添磚加瓦（成功實(shí)現(xiàn)20個(gè)超導(dǎo)量子比特量子糾纏），其研究成果也發(fā)表在新一期的《科學(xué)》上，為之，在此應(yīng)該有掌聲。

博科園｜研究/來(lái)自：尤利希研究中心

參考期刊《科學(xué)》

DOI: 10.1126/science.aax9743

DOI: 10.1126/science.aay0600

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