最近，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士及其同事陳宇翱、劉乃樂等組成的研究小組采用光子級聯(lián)編碼的方式實現(xiàn)了對于任意噪聲都具有高容錯率的薛定諤貓態(tài)，朝著實現(xiàn)大尺度量子網(wǎng)絡(luò)乃至宏觀糾纏態(tài)邁出了重要一步。該研究成果發(fā)表在5月期的《自然·光子學(xué)》上。

　　所謂“薛定諤貓”是奧地利物理學(xué)家、量子力學(xué)創(chuàng)始人之一埃爾溫·薛定諤于1935年提出的一個假想實驗，即在特殊的設(shè)定環(huán)境下，貓的生死狀態(tài)取決于探測結(jié)果，未探測時處于“糾纏狀態(tài)”。盡管在宏觀世界這只是一個假想實驗，但物理學(xué)家們已經(jīng)在微觀世界成功制備出各種各樣的薛定諤貓態(tài)，并將其運用到量子力學(xué)基本問題檢驗、量子精密測量、量子容錯計算以及分布式量子計算等任務(wù)中。

　　由于量子態(tài)與環(huán)境相互耦合會發(fā)生退相干現(xiàn)象，隨著制備薛定諤貓態(tài)的粒子數(shù)目增多，糾纏品質(zhì)會呈指數(shù)下降，這大大限制了薛定諤貓態(tài)在量子計算、量子精密測量等量子信息處理任務(wù)中的應(yīng)用。雖然原則上人們可以利用量子糾錯編碼的方式來保護量子態(tài)，但是這種方式會耗費大量的量子資源，使得利用量子糾纏進行量子信息處理所能帶來的優(yōu)越性受到巨大限制。2012年，奧地利物理學(xué)家Fröwis 和Dür提出了一種級聯(lián)貓態(tài)的概念，在該方案中通過將普通貓態(tài)作為一個編碼邏輯單元，采用級聯(lián)編碼的方式組合起來，可以達到有效抵抗退相干作用的目的。相對于在以往實驗中實現(xiàn)的普通薛定諤貓態(tài)而言，這種級聯(lián)貓態(tài)具有對任意噪聲免疫的天然優(yōu)越性。

　　潘建偉小組發(fā)展了一套可擴展的編碼方式，用兩個光子比特編碼一個邏輯比特，制備了一個三邏輯比特的級聯(lián)貓態(tài)，通過實驗觀察級聯(lián)貓態(tài)與普通貓態(tài)在不同噪聲影響下各自的糾纏演化特性，演示了編碼貓態(tài)在噪聲影響下具有的顯著優(yōu)越性。由于其天然的高容錯性，級聯(lián)貓態(tài)可被廣泛應(yīng)用于大尺度的量子網(wǎng)絡(luò)中，如三人密碼協(xié)議，量子密鑰共享等。同時，這種制備級聯(lián)貓態(tài)的方法可擴展到任意比特數(shù)，甚至可能達到宏觀級別，實現(xiàn)多年來的研究熱點——宏觀糾纏。

　　2004年以來，潘建偉團隊一直在光量子調(diào)控和多光子糾纏操縱方面處于國際領(lǐng)先地位，到目前為止在該研究方向上已經(jīng)在Nature、Nature Physics、Nature Photonics 和Nature Nanotechnology 這四個雜志上發(fā)表了20余篇論文，研究成果得到了包括歐洲物理學(xué)會、美國物理學(xué)會、Nature、Science、Physics Today 和Physics World 等重要學(xué)術(shù)媒體的廣泛報道。

圖1 制備級聯(lián)貓態(tài)的實驗方案，該方案可以擴展到任意比特數(shù)

圖2 級聯(lián)貓態(tài)和普通貓態(tài)在相同噪聲影響下的演化實驗結(jié)果