哥本哈根大学与清华大学

澎湃新闻记者 王蕙蓉

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。

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”

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。

1935年,理论物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)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(www.thepaper.cn)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 Schrödinger’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(www.thepaper.cn)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。

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。

图片来自论文

“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。

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。”

因此,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。除了使基于微波光子的量子网络和模块化量子计算成为可能,多体“猫”态之中的量子纠缠还可能提高雷达的探测精度,实现抗噪性更高的“量子雷达”。“另一方面,我们还计划探索‘薛定谔猫’态在微波量子光学、实现新型微波光量子器件等方面的应用。”

责任编辑:李跃群

校对:栾梦

声明:壹贝网所有作品(图文、音视频)均由用户自行上传分享,仅供网友学习交流,版权归原作者wangteng@admin所有,原文出处。若您的权利被侵害,请联系 756005163@qq.com 删除。

本文链接:https://www.ebaa.cn/33401.html

(0)
上一篇 2024年10月16日
下一篇 2024年10月16日

相关推荐

  • 麦考瑞大学学费_澳大利亚麦考瑞大学学费

    麦考瑞大学学费 1.经济与商务学院 学费:30740澳元/年~38400.00澳元/年 2.麦考瑞文学院 学费:26500.00澳元/年 3.麦考瑞科学院 学费:30740澳元/年 4.麦考瑞人文科学院 学费:26500.00澳元/年 麦考瑞大学热门专业学费介绍具体如下: 银行和金融专业专业30740.00澳元/年 高级职业会计专业专业35616.00澳元/…

    2024年4月18日
  • 列宁格勒大学和圣彼得堡大学_列宁格勒大学和圣彼得堡大学哪个好

    文|郭晔旻 即使是对一位俄罗斯地理盲而言,只从世界杯足球赛的场地设置也能猜出举办城市在俄罗斯联邦国家中的地位。譬如,开幕战与决赛毫无悬念地落在了首都莫斯科。除此以外最大的一块世界杯“蛋糕”则被圣彼得堡获得——多达7场世界杯比赛将在可容纳6.8万名观众的圣彼得堡体育场举行,其中还包括了半决赛与三、四名决赛这样的重头戏。的确,对于俄罗斯联邦来说,圣彼得堡市正是仅…

    2024年3月1日
  • 名古屋大学艺术类留学条件

    日本一共有7所旧帝国大学,代表着日本综合国立大学的最高水准。7所学校分别是:东京大学、京都大学、大阪大学、东北大学、名古屋大学、九州大学、北海道大学。7所学校都是以创建各地高级教育机构为目的建造的,因此在人文、理工和医学等各个领域都具有很强的实力,在日本是一流水平,不会存在明显的“偏科”现象。 7所学校历史悠久,积累了多年的教学经验,是可以充分学习研究的综合…

    2024年1月12日
  • 美国初中留学申请

    美国初中留学申请条件 招收年龄在11–14岁之间的学生 家庭资金充裕 英文基础较好,最好有TOEFL Junior, ssat及TOEFL成绩 最近两年平均成绩在C以上 申请材料: 成绩单、 推荐信、标准化考试成绩、 学校申请表、学校申请费、 银行存款证明、 其他有利于申请的文件 美国初中留学申请流程 1、选校:择校要考虑、排名因素、录取要求、规模大小、私立…

    2024年1月28日
  • 西北工业大学附属中学(西北工业大学附属中学录取分数线)

    西北工业大学附属中学、西安铁一中、陕西师范大学附属中学、西安高新一中、西安交通大学附属中学、西安中学、西安市之一中学、西安高级中学、西安市第八十三中学。 序号学校名称1西北工业大学附属中学2西安铁一中3陕西师范大学附属中学4西安高新一中5西安交通大学附属中学6西安中学7西安市之一中学8西安高级中学9西安市第八十三中学10西安市第八十九中学 西北工业大学附属中…

    2023年10月8日
  • 国贸专业出国留学选什么专业

    新加坡国立大学(National University of Singapore,简称NUS)的国际贸易专业(International Business)是该校的热门专业之一。该专业涵盖了国际贸易的理论和实践,以及跨国公司的全球战略和管理等内容。 一、专业概述 新加坡国立大学的国际贸易专业旨在培养学生具备扎实的国际贸易理论和实践知识,以及跨文化沟通和领导能…

    2024年1月8日
  • 伊利诺伊大学创始人与福特

    九层之台,起于累土。不积小流,无以成江海。我们无论做什么事情,都是由点点滴滴的经验、点点滴滴的努力,汇集而成。真正懂得成功内涵的人,都是脚踏实地的人,都不会放弃这种积累的过程。梦想不是放任你的思维天马行空,而是结合自身能力、家庭,以及社会就业情况来考虑的。 梦想是浪漫主义的,而成功则是现实主义的。我们需要梦想的指引,但具体的行动方案应该是——我目前拥有什么,…

    2024年10月19日
  • 南京大学金陵学院教务管理系统_南京大学金陵学院教务管理系统登录入口

    来源:沈阳日报-沈阳网 庄巧生院士当年的大学录取通知书 2021年高考录取正在进行中,考生及家长们最为翘首以盼的就是心仪大学的录取通知书。7月10日,精英集团教育发展中心副主任、中国教育博物馆发起人、沈阳晚报文史顾问詹洪阁,将一根特殊的“接力棒”交给沈阳晚报、沈报全媒体记者——帮一张“迷路“86年的大学录取通知书找到它的特殊主人。 这张录取通知书的主人是“小…

    2024年3月19日
  • 中国大学学费排名及费用_2023年全国高校经费排行

    根据2021年北京大学进行的“全国高校毕业生就业状况调查”的结果,我们可以看到不同学历之间的收入差距如此悬殊。 根据调查数据显示,博士的月起薪算数平均值为14823元,而中位数为15000元。这意味着较高的起薪水平仅相对较小的一部分博士毕业生,大部分博士学位的毕业生的起薪水平在14823元以下。博士毕业生的起薪明显高于其它学历层次的毕业生,这可能与他们在研究…

    2024年2月27日
  • umass中文什么学校

    麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology),简称“麻省理工”(MIT),位于美国马萨诸塞州波士顿都市区剑桥市,是世界著名私立研究型大学。麻省理工学院创立于1861年,在第二次世界大战后,麻省理工学院借由美国国防科技研究需要而迅速崛起。在二战和冷战期间,麻省理工学院的研究人员对计算机、雷达以及惯性导航系统等科技发…

    2024年9月5日

联系我们

400-800-8888

在线咨询: QQ交谈

邮件:admin@example.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

关注微信