科學家們成功地將20個糾纏的量子位轉變為疊加態

2020-11-25 電子發燒友

科學家們成功地將20個糾纏的量子位轉變為疊加態

發表於 2019-12-11 14:31:42

導讀

據德國於利希研究中心官網近日報導，該研究所與其他著名研究機構的科學家們成功地將20個糾纏的量子位轉變為疊加態。這種原子級「薛丁格的貓」狀態的產生，被認為是朝著開發在解決特定問題方面勝過經典計算機的量子計算機邁出的重要一步。

背景

1935年，物理學家埃爾溫·薛丁格（Erwin Schrödinger）利用量子貓進行思想實驗。在實驗中，一隻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控制，電子開關由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出阿爾法粒子，觸動電子開關，錘子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出裡面的氰化物氣體，則貓必死無疑。

（圖片來源：維基百科）

可是，原子核衰變是隨機事件。也就是說，我們無法知道它在什麼時候衰變。如果我們不揭開密室的蓋子，根據日常經驗可以認定的是：「貓要麼死，要麼活」。「死」與「活」成為了貓的兩種本徵態。那麼，用薛丁格方程來描述這隻貓，只能說它處於一種」死「與」活「的疊加態。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，貓構成的波函數由疊加態立即坍縮到某一個本徵態。

上世紀八十年代起，研究人員們就已經能在實驗室中採用各種方案以實驗方法實現這種量子疊加態。歐洲主要的量子倡議（歐盟量子旗艦計劃）的領導者、德國於利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）的託馬索·卡拉科（Tommaso Calarco）解釋道：「然而，貓的這些狀態非常敏感，即使是與環境進行最微小的熱相互作用，也會引起狀態坍縮。因此，在薛丁格的貓的狀態中可實現的量子位，比在彼此獨立存在的狀態中實現的量子位，要明顯少很多。」

（圖片來源：Forschungszentrum Jülich / Annette Stettien）

創新

在這些彼此獨立存在的狀態中，科學家們在實驗中可以控制超過50個量子位。可是，這些量子位（簡寫為「qubit」）並不會顯示出薛丁格的貓的特徵。然而，如今一支國際科研團隊採用可編程的量子模擬器創造出的20個量子位卻可以，從而創造了一項目前仍然有效的新紀錄，儘管其他的物理方案例如光子、囚禁離子或者超導量子電路也在考慮之內。

來自世界上幾個最著名研究結構的專家們齊心協力地參與了這個實驗。除了於利希研究中心的研究人員，來自美國眾多頂尖大學（哈佛大學、加州大學伯克利分校、麻省理工學院、加州理工學院）以及義大利帕多瓦大學的科學家們都參與了這個實驗。


來自於利希研究中心 Peter Grünberg 研究所的崔建（音）解釋道：「對於開發量子技術來說，處於貓狀態的量子位極其重要。在這種疊加態中，我們可以揭開未來量子計算機所預期的極大效率和極高性能的奧秘。」

技術
  傳統計算機中的經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。由於疊加原理，量子位可以同時具有好幾個狀態，可以一步到位地並行存儲和處理幾個值。量子位的數量在這裡很關鍵。你通過少數幾個量子位做不了什麼事。20個量子位的疊加態數量已經超過一百萬，而300個量子位可同時存儲的狀態數量超過宇宙中粒子的數量。

2011年起，14個量子位的舊紀錄一直保持不變。在這之後，如今20個量子位的新成果又更接近這個值了。研究人員們採用一個基於裡德堡（Rydberg）原子陣列的可編程量子模擬器進行了他們的實驗。在這個方案中，單個原子（銣原子）被雷射光束捕獲，然後在一起並肩排成一行。這項技術也稱為「光學鑷子」。此外，雷射激發原子，直到它們達到裡德堡態。在這個狀態下，電子處於遠離原子核的位置。
這個過程非常複雜，且通常需要很長時間。這樣一來，在被測量到之前，脆弱的貓狀態就已經被破壞了。於利希研究中心的研究小組通過他們在量子最優控制方面的專業技能解決了這個問題。他們通過以正確的速率聰明地開關雷射，在準備過程中實現了加速，從而創造了這個新紀錄。

崔建（音）解釋道：「我們幾乎讓某些原子膨脹到一個程度，以至於它們的原子殼層與鄰近的原子結合到一起，同時形成兩個對立的組態，即佔據所有偶數或奇數位置的激發。類似於薛丁格的貓，這樣一來，波函數就產生了重疊，而且我們能夠創造出相反組態的疊加，也就是所謂的『Greenberger-Horne-Zeilinger態』。」
 

實驗草圖：銣原子被雷射光束捕獲（紅色）。另外一束雷射（藍色）激發一半數量的原子到達一個程度，以至於它們的原子殼層與鄰近的原子結合到一起。（圖片來源：Forschungszentrum Jülich / Tobias Schlößer）

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展，形成互補。該研究成果也發表在最近一期的《科學（Science）》期刊上。研究人員採用超導量子電路，創造出處於「Greenberger-Horne-Zeilinger 態」的18個量子位。對於這種實驗方法來說，它也是一項新記錄。

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