《自然》：耶鲁大学量子科学家制造出纠错的“薛定谔猫”

许多人都听说过薛定谔的猫，通过这一著名的悖论用来说明量子叠加的概念。这个想法是将一只猫放在一个装有放射源和毒药的密闭盒子里，如果放射性物质的原子腐烂，就会触发这种毒药。量子物理学的叠加理论表明，除非有人打开盒子，否则猫是活的还是死的，都是状态的叠加。打开盒子观察猫会导致它突然随机改变其量子态，从而迫使它活着或死掉。

耶鲁大学的物理学家开发了一种纠错的“薛定谔猫”，这种新设置结合了薛定谔所提出的猫的叠加概念，即一种同时处于两种状态的物理概念，并具有纠正量子计算中最棘手的错误的能力。

这是耶鲁大学在掌握和操纵有用的量子计算机所必需的物理学工作方面的最新突破：在执行任务时，纠正在脆弱的量子信息位中产生的错误流。该最新研究成果论文，发表在今天的《自然》杂志上。

论文主导为耶鲁大学应用物理学和物理系教授、米歇尔·德沃雷特（Michel Devoret）。德沃雷特是法国人，他目前同时担任耶鲁大学应用物理纳米制造实验室主任。他以在约瑟夫森量子电子泵方面的开拓性工作，以及对电路量子电动力学和量子电子学领域的开创性贡献而闻名。

该研究以几十年来持续的开创性量子研究为基础，建造了称为“电路QED”（circuit QED）的量子计算机方法，它在超导微波谐振器中采用了微波（光子）粒子。

在传统计算机中，信息被编码为0或1。在这样的计算过程中出现的唯一错误是“位翻转”（bit-flips），这是因为某些信息意外地从0翻转为1，反之亦然。纠正它的方法是建立冗余：使用三个“物理”信息位来确保一个“有效”或准确位。

相反，对于量子信息位来说，是同时经受“位翻转”和“相翻转”（phase-flips）的作用，其中，当两个相反的状态同时存在时。量子位在量子叠加之间随机翻转。

迄今为止，量子研究人员一直试图通过增加更大的冗余来纠正错误，每个有效量子位都需要大量的物理量子位。

输入猫量子位，这一以薛定谔的猫命名的量子位，通过这一著名的悖论用来说明叠加的概念。

德沃雷特教授问道：“我们的工作源自这样一个新想法。为什么不使用一种巧妙的方法在单个物理系统中对信息进行编码，从而直接抑制一种错误呢？”

与保持一个有效量子位所需的多个物理量子位不同，单个猫量子位可以单独防止相位翻转。猫量子位将有效量子位编码为单个电子电路中两个状态的叠加，在这种情况下，超导微波谐振器的振荡对应于猫量子位的两个状态。

研究人员表示：“我们通过将微波频率信号施加到一个比传统的超导量子比特复杂得多的设备上来实现所有这些目标。”

研究人员说，他们能够根据命令将其猫量子位从其任何叠加状态更改为任何其他叠加状态。此外，研究人员开发了一种新的方式来读取或识别编码到量子位中的信息。

德沃雷特教授指出：“这使我们开发的系统成为一种通用的新元件，有望在超导电路的量子计算的许多方面找到其用途。”研究表明，快速的量子控制与对纠错的有效性相结合，这是稳定的宏观状态所必须的，同时这些状态也是量子信息处理的潜在资源。

参考：Stabilization and operation of a Kerr-cat qubit, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2587-z量子认知 | 简介科技新知识，敬请热心来关注