科学探索|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

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 Schr?dinger’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) 。

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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)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。

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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。

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