清華大學借助超導量子電路成功制備飛行微波光子的多體“薛定諤貓”態

  近日，清華大學交叉信息研究院段路明研究組在微波量子信息處理領域取得重要進展，首次在實驗中借助超導量子電路成功制備了相干態飛行微波光子的多體“薛定諤貓”態，并驗證了不同“貓”態之間以及多體“貓”態和超導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）》近日發表于國際學術期刊《Science Advances》。

  1935年，物理學家薛定諤（Erwin Schr?dinger）為了闡述量子力學中的悖論，提出了一個著名的思想實驗。根據薛定諤的想法，原子可能同時以兩種不同的狀態存在，這稱作量子疊加，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于一種奇怪的疊加態。薛定諤用一只貓來說明這種情況，設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生衰變的疊加態，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，并且它們之間存在超越經典關聯的量子糾纏。這種宏觀物體或者經典態之間的量子糾纏不僅是一個有趣的科學問題，并且在很多量子技術中有重要的應用。制備多體“薛定諤的貓”在技術上十分具有挑戰性，這是因為用來模擬“貓”的生死的經典態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，導致其中的量子效應很難被觀測到。

  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體系實現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量子比特的諧振腔端口的反射過程實現超導量子比特和相干態微波光子的量子糾纏，即“薛定諤貓”態的制備；通過連續反射多個相干態微波光子脈沖實現了多體“薛定諤貓”態（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層析方法重構飛行微波光子的量子態，確認了直到四體“貓”態的成功制備。研究人員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，這也是實驗中首次成功制備超過兩體的半經典態之間的量子糾纏。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，研究人員確認了這兩種本質上截然不同的量子態之間的量子糾纏。

圖二：實驗中重構得到的多體“貓”態的密度矩陣

  這項工作提出了一種高度可擴展的多體“薛定諤貓”態制備方案?；陲w行微波光子的多體“貓”態在很多量子技術中有重要的應用，比如基于多體“貓”態可以實現容錯的超導量子比特遠程糾纏，使得基于微波光子的量子網絡和模塊化量子計算成為可能。此外，利用多體“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”。

  該論文的共同第一作者為清華大學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基金（項目編號11874235、11925404）、國家重點研發計劃（項目編號2017YFA0304303、2020YFA0309500）、教育部量子信息前沿科學中心、清華大學科研啟動項目、廣東省重點領域研發計劃（項目編號2020B0303030001）和清華大學國強研究院（項目編號2019GQG1024）的資助與支持。 

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