近日，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。该成果论文“多体量子纠缠的飞行薛定谔猫态”近日发表于国际学术期刊《科学·进展》。

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，这称作量子叠加，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。

然而，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”的生死的经典态一般处在高维度的希尔伯特空间中，往往存在严重的退相干，导致其中的量子效应很难被观测到。

此项工作的理论基础是段路明教授与其合作者提出的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；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（multipartite Schrödinger’s cat state）的制备。

据悉，这项工作提出了一种高度可扩展的多体“薛定谔猫”态制备方案。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，比如基于多体“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。此外，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”。

编辑：李华山