在一項于近期發(fā)表在《自然·物理》雜志上的研究中，一個物理學家團隊在硅芯片中，在現(xiàn)實世界實現(xiàn)了著名的思想實驗——“薛定諤貓”。這一成果有助于更好地糾正量子計算過程中累積的錯誤，為量子計算的執(zhí)行提供了一種新的、更強大的方式。

薛定諤貓

“薛定諤貓”是量子力學中最著名的思想實驗之一。1935年，埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）提出了量子力學中最著名的思想實驗之一——薛定諤貓，它描述的是量子力學中的疊加（即兩種對立狀態(tài)可以同時存在的能力）的概念以及不可預測性。

在薛定諤的設(shè)想中，這只貓被放在一個密封的盒子里，盒子里裝有一份放射性物質(zhì)和一份毒藥，如果放射性物質(zhì)中的任何一個原子發(fā)生衰變，就會觸發(fā)毒藥，貓就會死亡。

根據(jù)量子物理學的疊加理論，在進行直接觀測之前，即在盒子被打開之前，貓會一直處于一種不確定的疊加態(tài)，它既是死的又同時是活的。這就導致了一個詭異的結(jié)論，那就是這只貓?zhí)幱谒篮突畹寞B加態(tài)。只有在打開盒子的一瞬間，對貓進行的觀測才會導致它的量子態(tài)發(fā)生突然地隨機變化，迫使它要么死、要么活。

原子貓

雖然沒有人能真正親眼所見一只同時處于死和活的疊加態(tài)的貓，但并不妨礙物理學家試圖在現(xiàn)實世界的實驗室中實踐這一思想實驗。

在這項新的研究中，研究人員使用了重元素銻（Sb）原子來比喻薛定諤貓。銻具有較大的核自旋——它的自旋不僅僅是指向“上”和“下”這兩個不同的方向——而是八個。

這看似不多，但實際上卻徹底改變了系統(tǒng)的特性。因為銻自旋指向相反方向的疊加態(tài)并非僅僅是“上”和“下”的疊加，而是有多個量子態(tài)可以將疊加態(tài)的“上”和“下”分開。

這對那些致力于用原子核的自旋作為量子比特（一種僅由兩個量子態(tài)描述的對象）來制造量子計算機的科學家來說，具有重要意義。

通常，物理學家使用量子比特作為量子信息的基本單位。如果量子比特是自旋，就可以把向“上”的自旋稱為“1”態(tài)，把向“下”的自旋稱為“0”態(tài)。在量子計算中，使用核自旋的“上”和“下”作為“1”（開）和“0”（關(guān)）的兩個量子態(tài)是很常見的。

然而，一旦自旋的方向突然改變——0瞬間變成1，或者1變成0，量子系統(tǒng)就會面臨邏輯錯誤。這就是量子信息如此脆弱的原因，也是為何糾錯是量子計算領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)之一。

但在具有八種不同自旋方向的銻原子中，如果將“0”編碼為“死貓”，將“1”編碼為“活貓”，那么改變自旋方向并不會立即引發(fā)邏輯錯誤，或者說，單個錯誤不足以打亂量子編碼。

原子薛定諤貓：“死”對應于銻核自旋完全指向下；“活”對應于銻核自旋完全向上。兩者的疊加會產(chǎn)生一個驚人的量子態(tài)，顯示出七條量子干涉條紋。條紋的數(shù)量對應于從一個極端到另一個極端所需的“自旋翻轉(zhuǎn)”的次數(shù)。在量子計算中，這相當于將“0”變成“1”、“1”變成“0”所需的連續(xù)錯誤數(shù)量，反之亦然。（圖/Tony Melov）

正如人們所說——貓有九條命。而對于這只“銻原子貓”，則有七條命：需要連續(xù)出現(xiàn)七次錯誤才能把“0”變成“1”，或“1”變成“0”！也就是說，反方向的銻自旋態(tài)的疊加是“宏觀的”——因為它發(fā)生在更大的尺度上，并且實現(xiàn)了薛定諤貓。

可擴展的技術(shù)

研究人員將“銻原子貓”嵌入到一個硅量子芯片中，這種芯片類似于我們電腦和手機里的芯片，但經(jīng)過改造能夠讓我們獲取單原子的量子態(tài)。通過將原子“薛定諤貓”置于硅芯片內(nèi)，研究人員對其量子態(tài)獲得了極其精細的控制——或者說，對“銻原子貓”的生死獲得了控制。

這項研究的突破為執(zhí)行量子計算開辟了一條新途徑。而且雖然它的信息仍然是以二進制代碼“0”或“1”進行編碼的，但在邏輯代碼之間卻擁有更多的“容錯空間”——單個甚至少數(shù)幾個錯誤，并不會立即擾亂信息。如果錯誤一旦出現(xiàn)，立即就會被發(fā)現(xiàn)，并在更多錯誤累積之前就會被糾正。

從長遠來看，這項在硅芯片上實現(xiàn)“薛定諤貓”的技術(shù)，可以采用與我們目前制造現(xiàn)有計算機芯片相同的方法進行大規(guī)模擴展。這一研究成果展示了使用這種可擴展、可制造的半導體平臺在制備和控制量子源狀態(tài)方面的能力，這是量子信息處理和量子糾錯應用的先決條件。

#創(chuàng)作團隊：

撰文：小雨

排版：雯雯

#參考來源：

https://www.unsw.edu.au/newsroom/news/2025/01/quantum-computing-schroedingers-cat-silicon-chip?utm_source=threads&utm_medium=socialhttps://www.nature.com/articles/s41567-024-02745-0

#圖片來源：

封面圖&首圖：Tony Melov