導讀

據(jù)德國于利希研究中心官網(wǎng)近日報道，該研究所與其他著名研究機構的科學家們成功地將20個糾纏的量子位轉(zhuǎn)變?yōu)榀B加態(tài)。這種原子級“薛定諤的貓”狀態(tài)的產(chǎn)生，被認為是朝著開發(fā)在解決特定問題方面勝過經(jīng)典計算機的量子計算機邁出的重要一步。

背景

1935年，物理學家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）利用量子貓進行思想實驗。在實驗中，一只貓被封閉在一個密室中，密室中有一瓶毒藥。毒藥瓶上有一個錘子，錘子由一個電子開關控制，電子開關由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出阿爾法粒子，觸動電子開關，錘子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出里面的氰化物氣體，則貓必死無疑。

（圖片來源：維基百科）

可是，原子核衰變是隨機事件。也就是說，我們無法知道它在什么時候衰變。如果我們不揭開密室的蓋子，根據(jù)日常經(jīng)驗可以認定的是：“貓要么死，要么活”。“死”與“活”成為了貓的兩種本征態(tài)。那么，用薛定諤方程來描述這只貓，只能說它處于一種”死“與”活“的疊加態(tài)。只有在揭開蓋子的一瞬間，我們通過“觀測”才能確切地知道貓是死是活。此時，貓構成的波函數(shù)由疊加態(tài)立即坍縮到某一個本征態(tài)。

上世紀八十年代起，研究人員們就已經(jīng)能在實驗室中采用各種方案以實驗方法實現(xiàn)這種量子疊加態(tài)。歐洲主要的量子倡議（歐盟量子旗艦計劃）的領導者、德國于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）的托馬索·卡拉科（Tommaso Calarco）解釋道：“然而，貓的這些狀態(tài)非常敏感，即使是與環(huán)境進行最微小的熱相互作用，也會引起狀態(tài)坍縮。因此，在薛定諤的貓的狀態(tài)中可實現(xiàn)的量子位，比在彼此獨立存在的狀態(tài)中實現(xiàn)的量子位，要明顯少很多?！?/p>

（圖片來源：Forschungszentrum Jülich / Annette Stettien）

創(chuàng)新

在這些彼此獨立存在的狀態(tài)中，科學家們在實驗中可以控制超過50個量子位?？墒?，這些量子位（簡寫為“qubit”）并不會顯示出薛定諤的貓的特征。然而，如今一支國際科研團隊采用可編程的量子模擬器創(chuàng)造出的20個量子位卻可以，從而創(chuàng)造了一項目前仍然有效的新紀錄，盡管其他的物理方案例如光子、囚禁離子或者超導量子電路也在考慮之內(nèi)。

來自世界上幾個最著名研究結構的專家們齊心協(xié)力地參與了這個實驗。除了于利希研究中心的研究人員，來自美國眾多頂尖大學（哈佛大學、加州大學伯克利分校、麻省理工學院、加州理工學院）以及意大利帕多瓦大學的科學家們都參與了這個實驗。

來自于利希研究中心 Peter Grünberg 研究所的崔建（音）解釋道：“對于開發(fā)量子技術來說，處于貓狀態(tài)的量子位極其重要。在這種疊加態(tài)中，我們可以揭開未來量子計算機所預期的極大效率和極高性能的奧秘。”

技術
傳統(tǒng)計算機中的經(jīng)典比特位通常擁有一個特定的值，例如由0和1組成。因此，這些值只能被一個比特接一個比特地處理。由于疊加原理，量子位可以同時具有好幾個狀態(tài)，可以一步到位地并行存儲和處理幾個值。量子位的數(shù)量在這里很關鍵。你通過少數(shù)幾個量子位做不了什么事。20個量子位的疊加態(tài)數(shù)量已經(jīng)超過一百萬，而300個量子位可同時存儲的狀態(tài)數(shù)量超過宇宙中粒子的數(shù)量。

2011年起，14個量子位的舊紀錄一直保持不變。在這之后，如今20個量子位的新成果又更接近這個值了。研究人員們采用一個基于里德堡（Rydberg）原子陣列的可編程量子模擬器進行了他們的實驗。在這個方案中，單個原子（銣原子）被激光光束捕獲，然后在一起并肩排成一行。這項技術也稱為“光學鑷子”。此外，激光激發(fā)原子，直到它們達到里德堡態(tài)。在這個狀態(tài)下，電子處于遠離原子核的位置。
這個過程非常復雜，且通常需要很長時間。這樣一來，在被測量到之前，脆弱的貓狀態(tài)就已經(jīng)被破壞了。于利希研究中心的研究小組通過他們在量子最優(yōu)控制方面的專業(yè)技能解決了這個問題。他們通過以正確的速率聰明地開關激光，在準備過程中實現(xiàn)了加速，從而創(chuàng)造了這個新紀錄。

崔建（音）解釋道：“我們幾乎讓某些原子膨脹到一個程度，以至于它們的原子殼層與鄰近的原子結合到一起，同時形成兩個對立的組態(tài)，即占據(jù)所有偶數(shù)或奇數(shù)位置的激發(fā)。類似于薛定諤的貓，這樣一來，波函數(shù)就產(chǎn)生了重疊，而且我們能夠創(chuàng)造出相反組態(tài)的疊加，也就是所謂的‘Greenberger-Horne-Zeilinger態(tài)’?！?br />

實驗草圖：銣原子被激光光束捕獲（紅色）。另外一束激光（藍色）激發(fā)一半數(shù)量的原子到達一個程度，以至于它們的原子殼層與鄰近的原子結合到一起。（圖片來源：Forschungszentrum Jülich / Tobias Schl??er）

中國的一個研究小組的研究成果，與他們在量子研究方面的進展，形成互補。該研究成果也發(fā)表在最近一期的《科學（Science）》期刊上。研究人員采用超導量子電路，創(chuàng)造出處于“Greenberger-Horne-Zeilinger 態(tài)”的18個量子位。對于這種實驗方法來說，它也是一項新記錄。