近日，浙江大學(xué)物理學(xué)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(lián)合國(guó)內(nèi)外多個(gè)相關(guān)團(tuán)隊(duì)，首次在人工量子系統(tǒng)中合成了反對(duì)稱自旋交換作用，演示了利用手征自旋態(tài)制備量子糾纏的新方法。這項(xiàng)研究于當(dāng)?shù)貢r(shí)間2019年1月21日被著名期刊《自然-物理》報(bào)道。

通過自旋手征性演化合成多比特糾纏態(tài)

手征性與薛定諤的貓

說起量子力學(xué)，總是繞不過那只著名的“薛定諤貓”。盒子里有一個(gè)放射性粒子，一個(gè)毒氣瓶和一只貓。粒子衰變會(huì)觸發(fā)毒氣瓶破裂，進(jìn)而毒死貓。但在打開盒子觀測(cè)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(tài)，因此貓也就處于了死和活的疊加態(tài)。它有趣地闡釋了微觀量子疊加態(tài)和宏觀經(jīng)典世界的區(qū)別。

當(dāng)多個(gè)粒子的集體狀態(tài)處于不可分解的疊加態(tài)時(shí)，量子糾纏就出現(xiàn)了。量子糾纏態(tài)的特征是相互糾纏的粒子之間“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，當(dāng)其中一個(gè)的狀態(tài)被測(cè)量確定時(shí)，其他粒子的狀態(tài)也就確定了?；氐窖Χㄖ@貓的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)測(cè)量到放射性粒子未衰變時(shí)，貓是活的；而當(dāng)測(cè)量到放射性粒子衰變時(shí)，貓是死的。量子疊加和量子糾纏的發(fā)現(xiàn)使得人們對(duì)世界的認(rèn)知發(fā)生了巨大的變革。

這個(gè)變革也關(guān)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(duì)稱，但上下疊放時(shí)卻不重合。那么微觀物體會(huì)不會(huì)像左右手一樣，有左手性和右手性這樣的區(qū)別呢？答案是肯定的。法國(guó)科學(xué)家巴斯德在測(cè)量光透過溶液之后偏振的改變時(shí)發(fā)現(xiàn)了分子的手征性。但是，量子力學(xué)被發(fā)現(xiàn)之后，德國(guó)理論物理學(xué)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(tài)應(yīng)該是左手性和右手性分子的量子疊加態(tài)。這與大量穩(wěn)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(tài)極其不穩(wěn)定，是容易被環(huán)境噪音破壞的薛定諤貓態(tài)。這個(gè)矛盾也被稱為洪特悖論。

這里提到的“宇稱”，簡(jiǎn)單理解就是“左右對(duì)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(xué)家猜測(cè)手征性分子的存在可能來源于弱相互作用對(duì)分子基態(tài)能量的影響。然而，目前還沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)證明這一猜測(cè)。在人工可控的量子系統(tǒng)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(tài)的退相干原理。

在人工量子系統(tǒng)中產(chǎn)生量子糾纏新模式

在這項(xiàng)研究中，王大偉提出在超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)中合成反對(duì)稱自旋交換作用來研究手征自旋態(tài)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(tài)有兩個(gè)。對(duì)于人工合成的超導(dǎo)量子比特來說，它的最低兩個(gè)能態(tài)可以被認(rèn)為是自旋的這兩個(gè)態(tài)，對(duì)應(yīng)于能量值0和1。這兩個(gè)值在量子計(jì)算中也被看作是比特的二進(jìn)制數(shù)。自旋之間的相互作用分兩種，即交換自旋位置后不變的對(duì)稱相互作用，和交換自旋之后變號(hào)的反對(duì)稱相互作用。對(duì)稱自旋交換相互作用已經(jīng)在人工量子系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)。反對(duì)稱自旋交換作用在拓?fù)浯偶ぐl(fā)、反常量子霍爾效應(yīng)和量子自旋液體中具有重要的作用，但是在人工系統(tǒng)中很難合成。

通過和王浩華和物理學(xué)系博士研究生宋超的討論，王大偉發(fā)現(xiàn)通過周期性調(diào)制量子比特頻率并對(duì)不同比特采用不同的調(diào)制相位，可以在通過腔連接在一起的比特之間合成出反對(duì)稱交換相互作用。這樣宇稱被打破，不同手征態(tài)具有了不同的能量，自旋態(tài)的動(dòng)力學(xué)演化體現(xiàn)出了左手性與右手性。比如，一個(gè)自旋朝下、兩個(gè)自旋朝上的態(tài)011，會(huì)演化到110，再演化到101，然后回到011，即自旋狀態(tài)在三個(gè)比特之間定向旋轉(zhuǎn)。

旋轉(zhuǎn)的定向性即為手征性的體現(xiàn)。更有意思的是，與011自旋狀態(tài)全相反的100態(tài)，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(gè)平行世界，一個(gè)沿著時(shí)間往前走，一個(gè)往后走。

反對(duì)稱自旋交換作用是如何產(chǎn)生量子糾纏的呢？

這就需要同時(shí)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(gè)比特制備在1態(tài)，第二個(gè)比特制備在0和1的疊加態(tài)，第三個(gè)比特制備在0態(tài)。整體而言，三個(gè)比特處于100和110的疊加態(tài)。這是一個(gè)非糾纏態(tài)，即對(duì)一個(gè)比特的測(cè)量不會(huì)影響另外兩個(gè)比特的狀態(tài)。這兩個(gè)狀態(tài)手征性演化方向正好相反，會(huì)變?yōu)?/span>010和101的疊加態(tài)。隨即翻轉(zhuǎn)第二個(gè)比特，就得到了000和111的疊加態(tài)。

這是一個(gè)典型的糾纏態(tài)。研究人員測(cè)量其中一個(gè)比特為0，另外兩個(gè)也即確定為0；如果一個(gè)比特測(cè)量為1，另外兩個(gè)也確定為1。利用相同的方法，糾纏被進(jìn)一步擴(kuò)展到了五個(gè)比特。這一項(xiàng)研究的實(shí)現(xiàn)需要精密的操控手段。進(jìn)行了大量數(shù)值模擬的物理學(xué)系博士后馮偉介紹說，因?yàn)楸忍鼐哂腥齻€(gè)能級(jí)，要消除第三個(gè)能級(jí)的影響，我們需要對(duì)眾多參數(shù)進(jìn)行嘗試。

該成果將對(duì)研究量子磁性、提高多粒子糾纏態(tài)制備速度、利用手征自旋態(tài)進(jìn)行量子計(jì)算等具有積極意義。

王大偉、王浩華和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的朱曉波是這項(xiàng)研究工作的共同通訊作者，實(shí)驗(yàn)部分由宋超基于浙江大學(xué)量子信息交叉研究中心的超導(dǎo)多比特測(cè)控平臺(tái)完成，實(shí)驗(yàn)器件由中科院物理研究所鄧輝、李賀康和鄭東寧及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)朱曉波等負(fù)責(zé)制備完成。其他共同作者為浙江大學(xué)的馮偉、蔡晗、徐達(dá)和朱詩堯，以及美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)的Marlan Scully。

這一研究得到了浙大百人計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袑ｍ?xiàng)資金、中科院重點(diǎn)研究計(jì)劃、現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和安徽省的支持。

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

（文 柯溢能 /攝影 汪曉勇）