導(dǎo)讀

據(jù)德國于利希研究中心官網(wǎng)近日報(bào)道，該研究所與其他著名研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)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(rèn)為是朝著開發(fā)在解決特定問題方面勝過經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)邁出的重要一步。

背景

1935年，物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）利用量子貓進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)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(guān)控制，電子開關(guān)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(guān)，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(jī)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(yàn)可以認(rèn)定的是：“貓要么死，要么活”?！八馈迸c“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(gòu)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(jì)八十年代起，研究人員們就已經(jīng)能在實(shí)驗(yàn)室中采用各種方案以實(shí)驗(yàn)方法實(shí)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(jì)劃）的領(lǐng)導(dǎo)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(jìn)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(shí)現(xiàn)的量子位，比在彼此獨(dú)立存在的狀態(tài)中實(shí)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(dú)立存在的狀態(tài)中，科學(xué)家們在實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)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(xiàng)目前仍然有效的新紀(jì)錄，盡管其他的物理方案例如光子、囚禁離子或者超導(dǎo)量子電路也在考慮之內(nèi)。

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

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(shù)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(jì)算機(jī)所預(yù)期的極大效率和極高性能的奧秘?！?br />
技術(shù)
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(guān)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(jì)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(jìn)行了他們的實(shí)驗(yàn)。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(xiàng)技術(shù)也稱為“光學(xué)鑷子”。此外，激光激發(fā)原子，直到它們達(dá)到里德堡態(tài)。在這個狀態(tài)下，電子處于遠(yuǎn)離原子核的位置。
這個過程非常復(fù)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(guān)激光，在準(zhǔn)備過程中實(shí)現(xiàn)了加速，從而創(chuàng)造了這個新紀(jì)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(jié)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)’。”

實(shí)驗(yàn)草圖：銣原子被激光光束捕獲（紅色）。另外一束激光（藍(lán)色）激發(fā)一半數(shù)量的原子到達(dá)一個程度，以至于它們的原子殼層與鄰近的原子結(jié)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(jìn)展，形成互補(bǔ)。該研究成果也發(fā)表在最近一期的《科學(xué)（Science）》期刊上。研究人員采用超導(dǎo)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(shí)驗(yàn)方法來說，它也是一項(xiàng)新記錄。