稿源：澎湃新闻

近期，清华大学团队在微波量子信息处理领域取得进展，首次借助超导量子电路，成功制备相干态飞行微波光子的多体“薛定谔猫”态，使基于微波光子的量子网络和模块化量子计算成为可能。据悉，在量子力学领域中有许多历史悠久的思想实验。其中大多数用来指出量子力学中可能存在的破绽。

多体“薛定谔的猫”示意图，图片来自清华大学

著名思想实验：“薛定谔的猫”

1935年，理论物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schr?dinger)设想了一个著名的思想实验，以阐述量子力学中的悖论。

如果把一只猫关在装有放射源及有毒气体的封闭房间里，放射源在单位时间内有一定的几率会发生衰变。当检测到放射源衰变时，有毒气体就会释放，猫就会死。如果放射源没有发生衰变的话，猫就存活。

而根据量子力学中的哥本哈根诠释(Copenhagen interpretation)，物理系统的属性并非确定，只能利用量子力学的概率术语来衡量其属性，并且测量行为会对系统产生影响，造成概率集缩小到许多可能值中的一个，这被称为波函数坍缩(wave-function collapse)。

因此，观测在量子力学中扮演着重要的角色。回到“薛定谔猫”思想实验，这意味着过了一段时间之后，猫处于同时活着和死去的状态。但当你往房间里看的时候，这个瞬间你会看到猫是活着或死去的某一个状态。

根据薛定谔的想法，原子可能同时以两种不同的状态存在，即量子叠加，如果在原子和宏观物体间产生相互作用，将它们“纠缠”起来，这时宏观物体可能处于一种奇怪的叠加态。

局限于两体的“薛定谔猫”

随着科学家对量子力学理论的进一步研究，新的问题随之产生：如果房间中不止一只猫呢？按照量子理论的自然逻辑，这些猫不仅处于同时活着和死去的状态，并且“同生共死”，即它们不仅处在多体的量子叠加态，并且互相存在超越经典关联的量子纠缠。

前述宏观物体或经典态之间的量子纠缠是一个有趣的科学问题，并且在很多量子技术中有重要应用。但制备多体“薛定谔猫”在技术上具有挑战性。因为用来模拟“猫”生死的经典态一般处在高维度的希尔伯特空间(Hilbert Space)中，存在严重的环境退相干，导致其中的量子效应很难被观测。

此前，国际上仅实现过对两体“薛定谔猫”的制备。“最主要的原因是缺乏合适的实验方案。”清华大学交叉信息研究院副研究员张宏毅对澎湃新闻()记者说道，耶鲁大学的研究组在2016年最早实现了两体的半经典态之间的量子纠缠，其成果发表在《科学》(Science)上。“他们用两个超导微波谐振腔各自承载两体微波相干态的量子叠加，但这种系统的扩展性很差：一方面，实现多体量子态需要很多超导微波谐振腔；另一方面，把同一个量子比特与这些谐振腔一同耦合起来也非常困难。”

会“飞”的多体“薛定谔猫”

为了实现多体“薛定谔猫”的制备，清华大学交叉信息研究院讲席教授段路明、副研究员张宏毅等研究组，采用另一种研究思路，利用相位相反的相干态飞行微波光子模拟猫的“生”和“死”。

此次，团队借助飞行微波光子，在包含超导量子比特的谐振腔端口的反射过程，实现了超导量子比特和相干态微波光子的量子纠缠，并通过连续反射多个相干态微波光子脉冲，最终实现了“飞”起来的多体“薛定谔猫”。相关论文《A flying Schr?dinger's cat in multipartite entangled states（多体量子纠缠的飞行薛定谔猫态）》发表于《科学进展》(Science Advances)。

图片来自《科学进展》(Science Advances)

“我们采用不同时刻的飞行微波光子脉冲定义多体量子态，用微波谐振腔和超导量子比特的系统，实现了不同时刻的微波光子脉冲之间的量子纠缠。”张宏毅向澎湃新闻()记者介绍，“我们的方案相比之前的实验，在扩展性方面得到明显的改进，保证了我们顺利观察到多体半经典态之间的量子纠缠。”

他表示，飞行微波光子相比之前的实验具有更好的扩展性。“其次，相比光学波段（波长在百纳米量级）的实验系统，微波波段的超导量子电路具有很好的调控性，有助于我们实现更高质量的实现系统和更准确的系统参数。”

从理论到实践的“四体”突破

清华大学团队此次研究理论基础是段路明和美国加州理工大学教授Jeff Kimble在2004年合作提出的Duan-Kimble可扩展光量子计算方案。

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