中国科学家首次以手征特性制备“薛定谔的猫”

  据中科院网站1月22日消息，近日，浙江大学物理学系和量子信息交叉研究中心研究员王大伟和教授王浩华联合国内外多个相关团队，首次在人工量子系统中合成了反对称自旋交换作用，演示了利用手征自旋态制备量子纠缠的新方法。该成果于1月22日发表在《自然—物理》。

说起量子力学，总是绕不过那只著名的“薛定谔猫”。量子叠加和量子纠缠的发现使人们对世界的认知发生了巨大变革。这一变革也关系到“手征性”这一概念，而手征性指的是物体和它的镜像不能重叠。

在这项研究中，研究人员提出在超导量子比特系统中合成反对称自旋交换作用研究手征自旋态的量子叠加和量子纠缠。自旋是微观粒子的基本属性，电子的自旋态有两个，对于人工合成的超导量子比特来说，它最低的两个能态可以被认为是自旋的两个态，对应于能量值0和1。这两个值在量子计算中也被看作比特的二进制数。

自旋之间的相互作用分两种，即交换自旋位置后不变的对称相互作用和交换自旋之后变号的反对称相互作用。对称自旋交换相互作用已经在人工量子系统里实现。反对称自旋交换作用在拓扑磁激发、反常量子霍尔效应和量子自旋液体中具有重要的作用，但在人工系统中很难合成。

研究人员发现，通过周期性调制量子比特频率并对不同比特采用不同的调制相位，可以在通过腔连接在一起的比特之间合成出反对称交换相互作用。宇称被打破，不同手征态具有了不同的能量，自旋态的动力学演化体现出了左手性与右手性。这类似于两个平行世界，一个沿着时间往前走，一个往后走。

那么，反对称自旋交换作用如何产生量子纠缠呢？这就需要同时利用量子叠加和自旋的手征性演化。研究人员介绍，首先将第一个比特制备在1态，第二个比特制备在0和1的叠加态，第三个比特制备在0态。整体而言，三个比特处于100和110的叠加态。这是一个非纠缠态，即对一个比特的测量不会影响另外两个比特的状态。这两个状态手征性演化方向正好相反，会变为010和101的叠加态。随即翻转第二个比特，就得到了000和111的叠加态。

该成果对研究量子磁性、提高多粒子纠缠态制备速度、利用手征自旋态进行量子计算等具有积极意义。