清华首次制备飞行微波光子的多体“薛定谔猫”态

近日，清华大学段路明研究组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，有助于实现一系列基于“猫”态的量子计算和量子应用。

从“薛定谔的猫”到多体“猫”态

1935年，物理学家薛定谔(Erwin Schrödinger)为了阐述量子力学中的悖论，提出了一个著名的思想实验。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。

薛定谔用一只猫来形容这种叠加态。设想一个封闭的房间里有一只猫和一瓶毒药，如果原子的衰变能够触发机械装置打破瓶子、释放毒药，那么猫必死无疑。但考虑到原子可能处在衰变或者未发生衰变的叠加态，这意味着房间里可能存在一只“又死又活”猫，即著名的“薛定谔的猫”。

如果房间中有不止一只猫呢？按照量子理论的自然逻辑，这些猫不仅“又死又活”，而且“同生共死”。这意味着，这些猫不仅处在多体的量子叠加态，并且它们之间存在超越经典关联的量子纠缠。这种宏观物体或者经典态之间的量子纠缠，不仅是一个有趣的科学问题，还在很多量子技术中具有重要应用。

多体“薛定谔的猫”示意图，图片来自清华大学

但制备多体“薛定谔的猫”在技术上十分具有挑战性，这是因为用来模拟“猫”生死的经典态一般处在高维度的希尔伯特空间(Hilbert Space)中，往往存在严重的退相干，即由于环境会对量子系统发生耦合干扰，使得系统的相干性不可避免地流失。这导致其中的量子效应很难被观测到。

多体“薛定谔猫”态的成功制备

此次，清华大学交叉信息研究院段路明研究组在微波量子信息处理领域取得重要进展，首次在实验中，借助超导量子电路成功制备了相干态飞行微波光子的多体“薛定谔猫”态，并验证了不同“猫”态之间以及多体“猫”态和超导量子比特之间的量子纠缠，相关成果近日发表在《科学进展》(Science Advances)。

图片来自《科学进展》(Science Advances)

此项工作的理论基础是段路明与其合作者提出的Duan-Kimble可扩展光量子计算方案，该方案借助腔电动力学体系实现了飞行光量子和原子之间的量子纠缠。

在本实验中，研究人员利用相位相反的相干态飞行微波光子模拟猫的“生”和“死”，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，实现超导量子比特和相干态微波光子的量子纠缠，即“薛定谔猫”态的制备。随后，通过连续反射多个相干态微波光子脉冲，实现了多体“薛定谔猫”态的制备。

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

研究人员在高维度的希尔伯特空间中利用量子态层析方法重构飞行微波光子的量子态，确认了直到四体“猫”态的成功制备。他们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的量子纠缠。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，研究人员确认了这两种本质上截然不同的量子态之间的量子纠缠。

这项工作提出了一种高度可扩展的多体“薛定谔猫”态的制备方案。基于飞行微波光子的多体“猫”态在量子技术中具有重要的应用：例如，基于多体“猫”态可以实现容错的超导量子比特远程纠缠，使得基于微波光子的量子网络和模块化量子计算成为可能；利用多体“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”。此次研究成果将有助于实现一系列基于“猫”态的量子计算和量子信息处理协议。

该论文的共同第一作者为清华大学交叉信息研究院博士生王志凌和鲍增晖，通讯作者为张宏毅副研究员和段路明教授，其他作者包括博士生李严、蔡伟州、王韦婷、马雨玮、蔡天奇、韩玺月、王家辉、吴宇恺助理教授、宋祎璞研究员和孙麓岩副教授。