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浙大學者首次在人工量子系統中利用手征特性制備薛定諤貓態

編輯:phyjd 時間:2019年01月22日 訪問次數:2332

  近日,浙江大學物理學系和量子信息交叉研究中心王大偉研究員和王浩華教授聯合國內外多個相關團隊,首次在人工量子系統中合成了反對稱自旋交換作用,演示了利用手征自旋態制備量子糾纏的新方法。這項研究于當地時間2019121日被著名期刊《自然-物理》報道。


通過自旋手征性演化合成多比特糾纏態

手征性與薛定諤的貓

  說起量子力學,總是繞不過那只著名的“薛定諤貓”。盒子里有一個放射性粒子,一個毒氣瓶和一只貓。粒子衰變會觸發毒氣瓶破裂,進而毒死貓。但在打開盒子觀測之前,粒子的量子屬性決定了它可處于衰變和未衰變的疊加態,因此貓也就處于了死和活的疊加態。它有趣地闡釋了微觀量子疊加態和宏觀經典世界的區別。

  當多個粒子的集體狀態處于不可分解的疊加態時,量子糾纏就出現了。量子糾纏態的特征是相互糾纏的粒子之間“牽一發而動全身”,當其中一個的狀態被測量確定時,其他粒子的狀態也就確定了。回到薛定諤貓的實驗,當測量到放射性粒子未衰變時,貓是活的;而當測量到放射性粒子衰變時,貓是死的。量子疊加和量子糾纏的發現使得人們對世界的認知發生了巨大的變革。

  這個變革也關系到了“手征性”這一概念。手征性是指物體和它的鏡像不能重疊。這就好比我們左右手,互為鏡面對稱,但上下疊放時卻不重合。那么微觀物體會不會像左右手一樣,有左手性和右手性這樣的區別呢?答案是肯定的。法國科學家巴斯德在測量光透過溶液之后偏振的改變時發現了分子的手征性。但是,量子力學被發現之后,德國理論物理學家洪特提出,由于組成分子的原子之間的相互作用沒有打破宇稱,分子的定態應該是左手性和右手性分子的量子疊加態。這與大量穩定手征性分子的存在相矛盾。相反,左手性分子與右手性分子的量子疊加態極其不穩定,是容易被環境噪音破壞的薛定諤貓態。這個矛盾也被稱為洪特悖論。

  這里提到的“宇稱”,簡單理解就是“左右對稱”或“左右交換不變性”。李政道和楊振寧找到打破宇稱的基本相互作用,即原子核里的弱相互作用。有些物理學家猜測手征性分子的存在可能來源于弱相互作用對分子基態能量的影響。然而,目前還沒有實驗證據證明這一猜測。在人工可控的量子系統里面合成出打破宇稱的相互作用,可以幫助人們理解手征性分子的形成及手征性分子量子疊加態的退相干原理。

在人工量子系統中產生量子糾纏新模式

  在這項研究中,王大偉提出在超導量子比特系統中合成反對稱自旋交換作用來研究手征自旋態的量子疊加和量子糾纏。自旋是微觀粒子的基本屬性。電子的自旋態有兩個。對于人工合成的超導量子比特來說,它的最低兩個能態可以被認為是自旋的這兩個態,對應于能量值01。這兩個值在量子計算中也被看作是比特的二進制數。自旋之間的相互作用分兩種,即交換自旋位置后不變的對稱相互作用,和交換自旋之后變號的反對稱相互作用。對稱自旋交換相互作用已經在人工量子系統里實現。反對稱自旋交換作用在拓撲磁激發、反常量子霍爾效應和量子自旋液體中具有重要的作用,但是在人工系統中很難合成。

  通過與王浩華和物理學系博士研究生宋超的討論,王大偉發現通過周期性調制量子比特頻率并對不同比特采用不同的調制相位,可以在通過腔連接在一起的比特之間合成出反對稱交換相互作用。這樣宇稱被打破,不同手征態具有了不同的能量,自旋態的動力學演化體現出了左手性與右手性。比如,一個自旋朝下、兩個自旋朝上的態011,會演化到110,再演化到101,然后回到011,即自旋狀態在三個比特之間定向旋轉。

  旋轉的定向性即為手征性的體現。更有意思的是,與011自旋狀態全相反的100態,手征性演化方向也相反,即100演化為010,然后001。王大偉介紹,這類似于兩個平行世界,一個沿著時間往前走,一個往后走。

  反對稱自旋交換作用是如何產生量子糾纏的呢?

  這就需要同時利用量子疊加和自旋的手征性演化。宋超介紹說,首先將第一個比特制備在1態,第二個比特制備在01的疊加態,第三個比特制備在0態。整體而言,三個比特處于100110的疊加態。這是一個非糾纏態,即對一個比特的測量不會影響另外兩個比特的狀態。這兩個狀態手征性演化方向正好相反,會變為010101的疊加態。隨即翻轉第二個比特,就得到了000111的疊加態。

  這是一個典型的糾纏態。研究人員測量其中一個比特為0,另外兩個也即確定為0;如果一個比特測量為1,另外兩個也確定為1。利用相同的方法,糾纏被進一步擴展到了五個比特。這一項研究的實現需要精密的操控手段。進行了大量數值模擬的物理學系博士后馮偉介紹說,因為比特具有三個能級,要消除第三個能級的影響,我們需要對眾多參數進行嘗試。

  該成果將對研究量子磁性、提高多粒子糾纏態制備速度、利用手征自旋態進行量子計算等具有積極意義。

  王大偉、王浩華和中國科學技術大學的朱曉波是這項研究工作的共同通訊作者,實驗部分由宋超基于浙江大學量子信息交叉研究中心的超導多比特測控平臺完成,實驗器件由中科院物理研究所鄧輝、李賀康和鄭東寧及中國科學技術大學朱曉波等負責制備完成。其他共同作者為浙江大學的馮偉、蔡晗、徐達和朱詩堯,以及美國德州農工大學的Marlan Scully

  這一研究得到了浙大百人計劃、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研專項資金、中科院重點研究計劃、現代光學儀器國家重點實驗室和安徽省的支持。

文章鏈接:http://doi.org/10.1038/s41567-018-0400-9