科学家们成功地将20个纠缠的量子位转变为叠加态

导读

据德国于利希研究中心官网近日报道，该研究所与其他著名研究机构的科学家们成功地将20个纠缠的量子位转变为叠加态。这种原子级“薛定谔的猫”状态的产生，被认为是朝着开发在解决特定问题方面胜过经典计算机的量子计算机迈出的重要一步。

背景

1935年，物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）利用量子猫进行思想实验。在实验中，一只猫被封闭在一个密室中，密室中有一瓶毒药。毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，则放出阿尔法粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，则猫必死无疑。

（图片来源：维基百科）

可是，原子核衰变是随机事件。也就是说，我们无法知道它在什么时候衰变。如果我们不揭开密室的盖子，根据日常经验可以认定的是：“猫要么死，要么活”。“死”与“活”成为了猫的两种本征态。那么，用薛定谔方程来描述这只猫，只能说它处于一种”死“与”活“的叠加态。只有在揭开盖子的一瞬间，我们通过“观测”才能确切地知道猫是死是活。此时，猫构成的波函数由叠加态立即坍缩到某一个本征态。

上世纪八十年代起，研究人员们就已经能在实验室中采用各种方案以实验方法实现这种量子叠加态。欧洲主要的量子倡议（欧盟量子旗舰计划）的领导者、德国于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）的托马索·卡拉科（Tommaso Calarco）解释道：“然而，猫的这些状态非常敏感，即使是与环境进行最微小的热相互作用，也会引起状态坍缩。因此，在薛定谔的猫的状态中可实现的量子位，比在彼此独立存在的状态中实现的量子位，要明显少很多。”

（图片来源：Forschungszentrum Jülich / Annette Stettien）

创新

在这些彼此独立存在的状态中，科学家们在实验中可以控制超过50个量子位。可是，这些量子位（简写为“qubit”）并不会显示出薛定谔的猫的特征。然而，如今一支国际科研团队采用可编程的量子模拟器创造出的20个量子位却可以，从而创造了一项目前仍然有效的新纪录，尽管其他的物理方案例如光子、囚禁离子或者超导量子电路也在考虑之内。

来自世界上几个最著名研究结构的专家们齐心协力地参与了这个实验。除了于利希研究中心的研究人员，来自美国众多顶尖大学（哈佛大学、加州大学伯克利分校、麻省理工学院、加州理工学院）以及意大利帕多瓦大学的科学家们都参与了这个实验。

来自于利希研究中心 Peter Grünberg 研究所的崔建（音）解释道：“对于开发量子技术来说，处于猫状态的量子位极其重要。在这种叠加态中，我们可以揭开未来量子计算机所预期的极大效率和极高性能的奥秘。”

技术
传统计算机中的经典比特位通常拥有一个特定的值，例如由0和1组成。因此，这些值只能被一个比特接一个比特地处理。由于叠加原理，量子位可以同时具有好几个状态，可以一步到位地并行存储和处理几个值。量子位的数量在这里很关键。你通过少数几个量子位做不了什么事。20个量子位的叠加态数量已经超过一百万，而300个量子位可同时存储的状态数量超过宇宙中粒子的数量。

2011年起，14个量子位的旧纪录一直保持不变。在这之后，如今20个量子位的新成果又更接近这个值了。研究人员们采用一个基于里德堡（Rydberg）原子阵列的可编程量子模拟器进行了他们的实验。在这个方案中，单个原子（铷原子）被激光光束捕获，然后在一起并肩排成一行。这项技术也称为“光学镊子”。此外，激光激发原子，直到它们达到里德堡态。在这个状态下，电子处于远离原子核的位置。
这个过程非常复杂，且通常需要很长时间。这样一来，在被测量到之前，脆弱的猫状态就已经被破坏了。于利希研究中心的研究小组通过他们在量子最优控制方面的专业技能解决了这个问题。他们通过以正确的速率聪明地开关激光，在准备过程中实现了加速，从而创造了这个新纪录。

崔建（音）解释道：“我们几乎让某些原子膨胀到一个程度，以至于它们的原子壳层与邻近的原子结合到一起，同时形成两个对立的组态，即占据所有偶数或奇数位置的激发。类似于薛定谔的猫，这样一来，波函数就产生了重叠，而且我们能够创造出相反组态的叠加，也就是所谓的‘Greenberger-Horne-Zeilinger态’。”

实验草图：铷原子被激光光束捕获（红色）。另外一束激光（蓝色）激发一半数量的原子到达一个程度，以至于它们的原子壳层与邻近的原子结合到一起。（图片来源：Forschungszentrum Jülich / Tobias Schlößer）

中国的一个研究小组的研究成果，与他们在量子研究方面的进展，形成互补。该研究成果也发表在最近一期的《科学（Science）》期刊上。研究人员采用超导量子电路，创造出处于“Greenberger-Horne-Zeilinger 态”的18个量子位。对于这种实验方法来说，它也是一项新记录。