成功地將20個量子比特糾纏，量子計算機將迎來重大飛躍！

薛丁格貓無論是死的還是活的，左旋還是右旋——在量子世界中，粒子就像著名的薛丁格貓類比一樣，都可以同時存在。現在一個國際研究團隊，包括來自幾所頂尖大學的科學家，以及來自Forschungszentrum Julich的科學家，已經成功地將20個糾纏量子比特轉換成這種疊加狀態。這種原子薛丁格貓態的產生，被認為是量子計算機發展的一個重要步驟，量子計算機在解決某些任務方面遠超越經典計算機，研究結果發表在《科學》上。

1935年物理學家歐文·薛丁格(Erwin Schrodinger)提出了量子貓的思想實驗，在這個實驗中，這隻貓被關在一個盒子裡，裡面有放射性樣本、探測器和致命劑量的毒藥。如果放射性物質衰變，探測器就會發出警報，釋放出有毒物質。其特別之處在於，根據量子力學的定律，不像日常經驗，我們不清楚貓是死是活。在這裡，這兩種情況都是同時發生的，直到實驗人員觀察到為止，只有從這一觀察開始，才能得到一個單一的狀態。

自20世紀80年代初以來，物理學已經能夠利用各種方法在實驗室中通過實驗實現量子態的疊加。來自Forschungszentrum Julich的Tommaso Calarco說：然而，這些量子貓的狀態非常敏感，即使是最微小與環境的熱相互作用也會導致它們坍塌。除此之外，Calarco還在歐盟量子旗艦計劃——歐洲重大量子計劃(major quantum initiative)中發揮了主導作用。由於這個原因，在薛丁格貓態中的量子比特很少，科學家現在可以通過實驗室實驗控制50多個量子比特。

然而，這些量子比特（量子位元）並沒有顯示薛丁格貓的特殊特性，與之形成對比的是，科學家現在使用可編程量子模擬器創建了20個量子位元，刷新了記錄，即使考慮到其他物理方法，如光學光子、捕獲離子或超導量子電路，仍然有效。來自世界上幾個最著名研究機構的科學家聯手開發了這項實驗。除了Julich的研究人員，還有來自美國許多頂尖大學的科學家（哈佛大學、伯克利大學、麻省理工學院和加州理工學院）以及義大利帕多瓦大學也參與了進來。

來自Julich的Peter Grunberg研究所的物理學家(PGI-8)說：處於cat狀態的量子位元被認為對量子技術的發展極其重要，未來量子計算機所期望的巨大效率和性能秘密將在這種狀態的疊加中被發現。傳統計算機中的經典位總是只有一個特定值，例如由0和1組成。因此，這些值只能逐位處理。由於疊加原理，量子位元可以同時具有多個狀態，可以在一個步驟中並行地存儲和處理多個值。量子位數量在這裡是至關重要的，不可能只用一個量子位元就能有多少突破。

但是有了20個量子位元（量子比特），量子疊加態就超過了百萬，300個量子位元可以同時存儲的量比宇宙中的粒子還多。20個量子位元的新結果現在更接近這個值，之前14個量子位元的舊記錄自2011年以來一直保持不變。在實驗中，科學家使用了一個基於Rydberg原子陣列的可編程量子模擬器。在這種方法中，單個原子，在本研究中是銣原子，被雷射束捕獲，並排放在一行中，這項技術也被稱為光鑷。另一束雷射激發原子，直到它們達到裡德伯狀態。

在這種狀態下，電子位於原子核之外很遠的地方。這個過程相當複雜，通常需要花費太多的時間，以至於脆弱的cat狀態在被測量之前就被破壞了。研究團隊貢獻了在量子最優控制方面的專業知識來解決這個問題。通過巧妙地以正確的速度開關雷射器，在製備過程中加快了速度，使這一新記錄成為可能。實際上使一些原子「膨脹」到這樣的程度，原子殼層與相鄰原子合併，同時形成兩種相反的構型，即佔據所有偶數或奇數位置的激發態。

波函數重疊得如此之遠，就像薛丁格的貓一樣，所以能夠創造出相反構型的疊加，也就是格林伯格-霍恩-澤林格態。在量子研究方面的進步，得到了我們中國科學家的添磚加瓦（成功實現20個超導量子比特量子糾纏），其研究成果也發表在新一期的《科學》上，為之，在此應該有掌聲。

博科園｜研究/來自：尤利希研究中心

參考期刊《科學》

DOI: 10.1126/science.aax9743

DOI: 10.1126/science.aay0600

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