近期，清華大學團隊在微波量子信息處理領域取得進展，首次藉助超導量子電路，成功製備相干態飛行微波光子的多體“薛定諤貓”態，使基於微波光子的量子網絡和模塊化量子計算成為可能。據悉，在量子力學領域中有許多歷史悠久的思想實驗。其中大多數用來指出量子力學中可能存在的破綻。
多體“薛定諤的貓”示意圖，圖片來自清華大學
著名思想實驗：“薛定諤的貓”
1935年，理論物理學家埃爾溫·薛定諤(Erwin Schrödinger)設想了一個著名的思想實驗，以闡述量子力學中的悖論。
如果把一隻貓關在裝有放射源及有毒氣體的封閉房間里，放射源在單位時間內有一定的幾率會發生衰變。當檢測到放射源衰變時，有毒氣體就會釋放，貓就會死。如果放射源沒有發生衰變的話，貓就存活。
而根據量子力學中的哥本哈根詮釋(Copenhagen interpretation)，物理系統的屬性並非確定，只能利用量子力學的概率術語來衡量其屬性，並且測量行為會對系統產生影響，造成概率集縮小到許多可能值中的一個，這被稱為波函數坍縮(wave-function collapse)。
因此，觀測在量子力學中扮演着重要的角色。回到“薛定諤貓”思想實驗，這意味着過了一段時間之後，貓處於同時活着和死去的狀態。但當你往房間里看的時候，這個瞬間你會看到貓是活着或死去的某一個狀態。
根據薛定諤的想法，原子可能同時以兩種不同的狀態存在，即量子疊加，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於一種奇怪的疊加態。
局限於兩體的“薛定諤貓”
隨着科學家對量子力學理論的進一步研究，新的問題隨之產生：如果房間中不止一隻貓呢？按照量子理論的自然邏輯，這些貓不僅處於同時活着和死去的狀態，並且“同生共死”，即它們不僅處在多體的量子疊加態，並且互相存在超越經典關聯的量子糾纏。
前述宏觀物體或經典態之間的量子糾纏是一個有趣的科學問題，並且在很多量子技術中有重要應用。但製備多體“薛定諤貓”在技術上具有挑戰性。因為用來模擬“貓”生死的經典態一般處在高維度的希爾伯特空間(Hilbert Space)中，存在嚴重的環境退相干，導致其中的量子效應很難被觀測。
此前，國際上僅實現過對兩體“薛定諤貓”的製備。“最主要的原因是缺乏合適的實驗方案。”清華大學交叉信息研究院副研究員張宏毅對澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者說道，耶魯大學的研究組在2016年最早實現了兩體的半經典態之間的量子糾纏，其成果發表在《科學》(Science)上。“他們用兩個超導微波諧振腔各自承載兩體微波相干態的量子疊加，但這種系統的擴展性很差：一方面，實現多體量子態需要很多超導微波諧振腔；另一方面，把同一個量子比特與這些諧振腔一同耦合起來也非常困難。”
會“飛”的多體“薛定諤貓”
為了實現多體“薛定諤貓”的製備，清華大學交叉信息研究院講席教授段路明、副研究員張宏毅等研究組，採用另一種研究思路，利用相位相反的相干態飛行微波光子模擬貓的“生”和“死”。
此次，團隊藉助飛行微波光子，在包含超導量子比特的諧振腔端口的反射過程，實現了超導量子比特和相干態微波光子的量子糾纏，並通過連續反射多個相干態微波光子脈衝，最終實現了“飛”起來的多體“薛定諤貓”。相關論文《A flying Schrödinger’s cat in multipartite entangled states（多體量子糾纏的飛行薛定諤貓態）》發表於《科學進展》(Science Advances)。
圖片來自《科學進展》(Science Advances)
“我們採用不同時刻的飛行微波光子脈衝定義多體量子態，用微波諧振腔和超導量子比特的系統，實現了不同時刻的微波光子脈衝之間的量子糾纏。”張宏毅向澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者介紹，“我們的方案相比之前的實驗，在擴展性方面得到明顯的改進，保證了我們順利觀察到多體半經典態之間的量子糾纏。”
他表示，飛行微波光子相比之前的實驗具有更好的擴展性。“其次，相比光學波段（波長在百納米量級）的實驗系統，微波波段的超導量子電路具有很好的調控性，有助於我們實現更高質量的實現系統和更準確的系統參數。”
從理論到實踐的“四體”突破
清華大學團隊此次研究理論基礎是段路明和美國加州理工大學教授Jeff Kimble在2004年合作提出的Duan-Kimble可擴展光量子計算方案。
該方案提出，可以利用高質量的諧振腔輔助實現飛行光量子比特之間的受控量子門操作，進而實現可擴展的光量子計算。其核心內容是指出了藉助飛行光子從某個含有量子比特的諧振腔中反射的過程，可以實現飛行光子和量子比特的受控量子門操作和量子糾纏。
“這個方案簡潔明了，技術上的可行性極高，是目前實現飛行光量子比特和局域量子比特之間相互糾纏的主流方法之一。”張宏毅說道，“這還為後續很多重要的實驗，比如實現非破壞性單光子探測器、單光子二極管等量子器件，提供了理論基礎。”
基於前述方案，段路明與合作者在2005年提出可以實現相干態飛行光子的量子疊加，即所謂的“薛定諤貓”態。“這為我們此次研究提供了最直接的理論依據。”
在這一理論基礎上，清華大學段路明研究組從多體飛行微波光子態的密度矩陣出發，利用可局域量子糾纏的方法驗證了直到四體“貓”態中的量子糾纏，這也是首次在實驗中成功製備超過兩體的半經典態之間量子糾纏。
實驗中重構得到的多體“貓”態的密度矩陣，圖片來自清華大學
此外，通過重構超導量子比特和多體“貓”態這個混合量子系統的密度矩陣，團隊確認了這兩種本質上截然不同的量子態之間的量子糾纏。該工作提出了一種高度可擴展的多體“薛定諤貓”態製備方案。
審稿人評價稱，清華大學團隊首次實現了多達四體的“薛定諤貓”態的製備，即確定性地實現了多個相干態微波光子之間、以及它們與超導量子比特之間的糾纏。
將“薛定諤貓”推嚮應用領域
“此次實驗的主要裝置與一台超導量子計算機類似，同時包括一台稀釋制冷機給超導量子芯片降溫，一些微波信號源和波形生成裝置提供實驗需要的微波信號。”張宏毅說道，“實驗裝置的核心是超導量子電路，包含一個超導微波諧振腔和一個超導量子比特，‘薛定諤貓’態的製備依賴於我們對超導量子比特量子態的精確控制。”
他表示，團隊設計這個實驗的一個主要動機是希望藉助飛行微波光子，實現超導量子比特之間的遠程量子糾纏，進而實現超導量子電路的量子網絡和模塊化量子計算。“在這個研究中，我們實現了飛行微波光子的‘薛定諤貓’態和超導量子比特之間的量子糾纏，後面我們希望能夠藉助‘薛定諤貓’態實現超導量子比特的遠程量子糾纏，研究‘貓’態在抵抗由於微波線路損耗導致的量子態失真方面的優勢。”
因此，基於飛行微波光子的多體“貓”態在很多量子技術中有重要的應用。除了使基於微波光子的量子網絡和模塊化量子計算成為可能，多體“貓”態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”。“另一方面，我們還計劃探索‘薛定諤貓’態在微波量子光學、實現新型微波光量子器件等方面的應用。”