近日，清华大学交叉信息研究院研究员张宏毅和团队，实现了一种之前从未有过的全新量子态，即多体“薛定谔的猫”态（Multiple Schr?dinger's cats)

（来源：Science Advances）

早在 1935 年，奥地利物理学家薛定谔为了表述量子力学中可能存在的一种悖论，提出了一个具有跨时代意义的实验设想。他设定实验中的原子可能同时处在两种不同的状态，即量子状态是可以相互叠加，如果在原子和宏观物体建立起一定的联系，让宏观物体也发生“纠缠”现象，这时宏观物体就可能处于一种奇怪的叠加态。

为了通俗理解，薛定谔设想在一个封闭的房间里有一只猫和一瓶毒药，如果原子的衰变能够触发某些机械装置来打破瓶子、放毒药，那么猫必死无疑。

但如果原子在某一时间可能处在衰变或者未发生衰变的叠加态，那么房间里的猫可能处于一个“又死又活”的状态，这就是著名的“薛定谔的猫”实验。更一步地假想房间中有不止一只猫，那事情将会变的更有趣。按照量子理论的自然逻辑，这些猫不仅处在生和死两种状态的叠加，而且不同猫生和死的状态之间是相互关联的，也就是说这些猫“同生共死”。

这种宏观物体或者经典态之间的量子纠缠不仅是一个有趣的科学问题，并且在很多量子技术中有重要的应用。而如何制备多体“薛定谔的猫”在技术上是十分具有挑战性的，这是因为用来模拟“猫”的生死的经典态一般处在高维度的希尔伯特空间中，往往存在严重的退相干效应，导致其中的量子现象很难被观测到。

（来源：Science Advances）

在实验中，往往采用具有不同相位相干态的微波光子来模拟猫的生和死两种状态，之所以选择相干态是因为其最接近经典的一种态，因此它也称作为半经典态，所以用这种状态的光子来模拟“薛定谔的猫”实验是最直接的选择。

2016 年，耶鲁大学的研究组在两个不同的微波谐振腔中成功实现了两体的“薛定谔猫”态，论文发表在 Science[1]。但是从扩展实验对象的角度出发，该方法存在明显的限制，因为实验中每增加一只“猫”就需要设计一个微波谐振腔。

实现“飞”起来的多体“薛定谔猫”

而本次工作采用了另外一种思路，利用在波导中传播的相干态微波脉冲光子定义“薛定谔的猫”，并设法将他们纠缠起来，也就是实现了也就是实现了“飞”起来的多体“薛定谔猫”。这种方法显然很容易制备多体的“猫”态，相应的该团队在实验中也实现了四体的“薛定谔猫”态。

（来源：Science Advances）

3 月 11 日，相关论文以《多方纠缠态中飞行的薛定谔猫》（A flying Schr?dinger's cat in multipartite entangled states）为题发表在 Science Advances 上。

图 | 相关论文（来源：Science Advances）

具体来说，其工作理论基础是该院的段路明教授与其合作者提出的 Duan-Kimble 可扩展光量子计算方案 [2]，该方案借助腔电动力学体系实现了飞行光量子和原子之间的量子纠缠。

在实验中，他们使用相位相反的相干态飞行微波光子来模拟猫的“生”和“死”，借助飞行微波光子在包含超导量子比特的谐振腔端口的反射过程，实现超导量子比特和相干态微波光子的量子纠缠，即“薛定谔猫”态的制备；并通过连续反射多个相干态微波光子脉冲实现了多体“薛定谔猫”态的制备。

张宏毅表示：“我们通过在高维度的希尔伯特空间中利用量子态层析方法重构飞行微波光子的量子态，确认了直到四体‘猫’态的成功制备。”

此外，他们还从多体飞行微波光子态的密度矩阵出发，利用可局域量子纠缠的方法验证了多体“猫”态中的量子纠缠。可局域量子纠缠能够给出量子态的纠缠度下界；通过计算可局域量子纠缠对应密度矩阵的负值度可以对量子纠缠进行定量分析。

对于实验中制备的多体“猫”态，直到四体态的可局域量子纠缠依旧显著大于零，这明确的证明了多体“猫”态中的量子纠缠，这也是实验中首次成功制备超过两体的半经典态之间的量子纠缠。

另外，该团队还验证了超导量子比特和多体“猫”态之间的量子纠缠。近似为二能级系统的超导量子比特量子态是典型的离散变量量子态（discrete-variable quantum state），而相干态微波光子态和多体“猫”态则是典型的连续变量量子态（continuous-variable quantum state）。

这两种量子态有各自的优势和不足，在实际应用中可能起到互补的作用。在实验中，通过重构超导量子比特和多体“猫”态这个混合量子系统的密度矩阵，并计算密度矩阵的负值度，我们确认了这两种本质上截然不同的量子态之间的量子纠缠。

第一次制备多体的薛定谔猫态

审稿人评价称，该团队第一次制备了多体的薛定谔猫态，即确定性地实现了多个相干态微波光子之间、以及它们和超导量子比特之间的纠缠。此外审稿人认为，该团队还提到了在一个接近 1300 维的希尔伯特空间中复原薛定谔猫量子态的工作非常的“impressive”。

“审稿人们认为我们实验中实现了不同形式的相干态量子纠缠，是我们方案的一个主要亮点，在未来的应用中将会扮演重要的角色。”张宏毅补充。

据悉，该课题组的研究方向是超导量子计算和量子信息处理。在目前的超导量子计算机中，限制量子比特数目的一个主要因素是目前商用稀释制冷机提供的射频同轴电缆的数量。

此外，如果在一个芯片上集成很大数量的超导量子比特，信号串扰等问题可能会严重的降低量子比特的性能，进而影响量子计算过程的保真度。所以该团队的一个主要研究方向就是探索模块化量子计算方案解决上述超导量子计算机的扩展问题。

段路明教授是模块化量子计算和量子网络方面的专家，最近几年，他和 IonQ 公司创始人之一的克里斯·门罗（Chris Monroe）合作在囚禁离子领域做出一系列开创性的工作，深入研究了利用量子网络和模块化量子计算的方法扩展离子量子计算机的基本方法和技术路线，这些思想和经验无疑会对该团队在超导领域的相关工作提供重要的理论基础和明确研究方向。

这个工作的具体想法产生在大概两年前，实现模块化超导量子计算机和量子网络最直接的方法就是利用中介微波光子实现超导量子比特的远程纠缠，首先要能够演示在波导中传播的微波光子和一个超导量子比特的纠缠，并且保证产生纠缠的方法是高度可扩展的。

在这里，该团队想到了几年前段路明教授和加州理工大学物理学教授杰夫·金布尔（Jeff Kimble）提出了一种可扩展光量子计算的方案[2]，这个方案的基本思想很适合解决当前的问题。之所以用相干态的微波光子，也就是所谓的“猫”态，是因为理论上基于这种连续变量量子系统可以实现量子纠错，这一点对于实现高保真度的模块化量子计算显得尤为重要。

张宏毅说：“实验的开展还是相对顺利的，得益于我们学生的聪明和勤奋，在不到一年的时间里我们很快就解决了从样品制备到量子态表征等一系列技术问题。得到的实验结果也超过我们最初的设想，我们不仅实现了这个工作里描述的多体的‘薛定谔猫’态。”

在另外一个工作，他们还实现了一只“薛定谔猫”的任意量子态叠加。从猫的角度类比的话，就是从一只“活”的猫，演化成一只“又死又活”的猫，进而变化成一只“死”的猫；而且还能控制这个“又死又活”状态量子相位。此外，他们还观察到猫态的一些很好的量子统计性质，可以用在量子传感等很多领域，这个工作正在投稿中。

可用于实现超导量子比特的远程纠缠

该成果的一个重要的潜在应用是基于此方案实现超导量子比特的远程纠缠，进而实现超导量子电路的量子网络和模块化量子计算，这也是目前张宏毅努力的方向。

基于飞行微波光子的多体“猫”态在很多量子技术中有重要的应用。此次做实验的首要目标是探索超导量子比特远程量子纠缠的实现方案。已有的实验证明了基于在波导中传播的微波单光子态可以实现超导量子比特的远程纠缠，但是由于微波线路存在不可忽略的损耗，这种方法获得的量子比特纠缠保真度受到限制。

图 | 张宏毅（来源：张宏毅）

未来，该团队希望探索利用态空间维度更高的连续变量微波光量子态（“薛定谔猫”态），首先实现量子比特的远程纠缠，之后探索纠缠过程的量子纠错方案，实现高保真度量子纠缠，这是实现基于微波光子的量子网络和模块化量子计算机的重要基础。

详细来说，后续他们计划首先利用飞行的“薛定谔猫”态实现超导量子比特的远程纠缠，之后探索实现纠缠过程的量子纠错。由于其使用的是在传输线中传播的光子，这就使得有可能借助微波光子实现远程量子比特的纠缠。

量子态很容易被破坏，有一些理论工作认为，使用这种猫态作为中介，有可能实现具有纠错功能的远程纠缠，进而实现量子网络。此外，他们还计划探索“薛定谔猫”态超导量子电路在微波量子光学、实现新型微波光量子器件等方面的应用。

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参考：

1、 C. Wang, Y. Y. Gao, P. Reinhold, R. W. Heeres, N. Ofek, K. Chou, C. Axline, M. Reagor, J. Blumoff, K. M. Sliwa, L. Frunzio, S. M. Girvin, L. Jiang, M. Mirrahimi, M. H. Devoret, R. J. Schoelkopf, A Schr¨odinger cat living in two boxes. Science 352, 1087–1091 (2016).

2、L.-M. Duan, H. J. Kimble, Scalable photonic quantum computation through cavity-assisted interactions. Phys. Rev. Lett. 92, 127902 (2004).