清华首次实现四体“薛定谔猫”态有助量子计算与量子网络( 二 ) 稿源：澎湃新闻近期

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图片来自《科学进展》(ScienceAdvances)
“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(www.thepaper.cn)采访人员介绍， “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JeffKimble在2004年合作提出的Duan-Kimble可扩展光量子计算方案。
该方案提出，可以利用高质量的谐振腔辅助实现飞行光量子比特之间的受控量子门操作，进而实现可扩展的光量子计算。其核心内容是指出了借助飞行光子从某个含有量子比特的谐振腔中反射的过程，可以实现飞行光子和量子比特的受控量子门操作和量子纠缠。

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“这个方案简洁明了，技术上的可行性极高，是目前实现飞行光量子比特和局域量子比特之间相互纠缠的主流方法之一。 ”张宏毅说道， “这还为后续很多重要的实验，比如实现非破坏性单光子探测器、单光子二极管等量子器件，提供了理论基础。 ”
基于前述方案，段路明与合作者在2005年提出可以实现相干态飞行光子的量子叠加，即所谓的“薛定谔猫”态。 “这为我们此次研究提供了最直接的理论依据。 ”
在这一理论基础上，清华大学段路明研究组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直到四体“猫”态中的量子纠缠，这也是首次在实验中成功制备超过两体的半经典态之间量子纠缠。

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实验中重构得到的多体“猫”态的密度矩阵，图片来自清华大学
此外，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，团队确认了这两种本质上截然不同的量子态之间的量子纠缠。该工作提出了一种高度可扩展的多体“薛定谔猫”态制备方案。
审稿人评价称，清华大学团队首次实现了多达四体的“薛定谔猫”态的制备，即确定性地实现了多个相干态微波光子之间、以及它们与超导量子比特之间的纠缠。
将“薛定谔猫”推向应用领域
“此次实验的主要装置与一台超导量子计算机类似，同时包括一台稀释制冷机给超导量子芯片降温，一些微波信号源和波形生成装置提供实验需要的微波信号。 ”张宏毅说道， “实验装置的核心是超导量子电路，包含一个超导微波谐振腔和一个超导量子比特， ‘薛定谔猫’态的制备依赖于我们对超导量子比特量子态的精确控制。 ”
他表示，团队设计这个实验的一个主要动机是希望借助飞行微波光子，实现超导量子比特之间的远程量子纠缠，进而实现超导量子电路的量子网络和模块化量子计算。 “在这个研究中，我们实现了飞行微波光子的‘薛定谔猫’态和超导量子比特之间的量子纠缠，后面我们希望能够借助‘薛定谔猫’态实现超导量子比特的远程量子纠缠，研究‘猫’态在抵抗由于微波线路损耗导致的量子态失真方面的优势。 ”

清华首次实现四体“薛定谔猫”态 有助量子计算与量子网络( 二 )

清华首次实现四体“薛定谔猫”态有助量子计算与量子网络( 二 )