有7条命的薛定谔猫

在一项于近期发表在《自然·物理》杂志上的研究中，一个物理学家团队在硅芯片中，在现实世界实现了著名的思想实验——“薛定谔猫”。这一成果有助于更好地纠正量子计算过程中累积的错误，为量子计算的执行提供了一种新的、更强大的方式。

  薛定谔猫  

“薛定谔猫”是量子力学中最著名的思想实验之一。1935年，埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）提出了量子力学中最著名的思想实验之一——薛定谔猫，它描述的是量子力学中的叠加（即两种对立状态可以同时存在的能力）的概念以及不可预测性。

在薛定谔的设想中，这只猫被放在一个密封的盒子里，盒子里装有一份放射性物质和一份毒药，如果放射性物质中的任何一个原子发生衰变，就会触发毒药，猫就会死亡。

根据量子物理学的叠加理论，在进行直接观测之前，即在盒子被打开之前，猫会一直处于一种不确定的叠加态，它既是死的又同时是活的。这就导致了一个诡异的结论，那就是这只猫处于死和活的叠加态。只有在打开盒子的一瞬间，对猫进行的观测才会导致它的量子态发生突然地随机变化，迫使它要么死、要么活。

  原子猫  

虽然没有人能真正亲眼所见一只同时处于死和活的叠加态的猫，但并不妨碍物理学家试图在现实世界的实验室中实践这一思想实验。

在这项新的研究中，研究人员使用了重元素锑（Sb）原子来比喻薛定谔猫。锑具有较大的核自旋——它的自旋不仅仅是指向“上”和“下”这两个不同的方向——而是八个。

这看似不多，但实际上却彻底改变了系统的特性。因为锑自旋指向相反方向的叠加态并非仅仅是“上”和“下”的叠加，而是有多个量子态可以将叠加态的“上”和“下”分开。

这对那些致力于用原子核的自旋作为量子比特（一种仅由两个量子态描述的对象）来制造量子计算机的科学家来说，具有重要意义。

通常，物理学家使用量子比特作为量子信息的基本单位。如果量子比特是自旋，就可以把向“上”的自旋称为“1”态，把向“下”的自旋称为“0”态。在量子计算中，使用核自旋的“上”和“下”作为“1”（开）和“0”（关）的两个量子态是很常见的。

然而，一旦自旋的方向突然改变——0瞬间变成1，或者1变成0，量子系统就会面临逻辑错误。这就是量子信息如此脆弱的原因，也是为何纠错是量子计算领域面临的最大挑战之一。

但在具有八种不同自旋方向的锑原子中，如果将“0”编码为“死猫”，将“1”编码为“活猫”，那么改变自旋方向并不会立即引发逻辑错误，或者说，单个错误不足以打乱量子编码。

原子薛定谔猫：“死”对应于锑核自旋完全指向下；“活”对应于锑核自旋完全向上。两者的叠加会产生一个惊人的量子态，显示出七条量子干涉条纹。条纹的数量对应于从一个极端到另一个极端所需的“自旋翻转”的次数。在量子计算中，这相当于将“0”变成“1”、“1”变成“0”所需的连续错误数量，反之亦然。（图/Tony Melov）

正如人们所说——猫有九条命。而对于这只“锑原子猫”，则有七条命：需要连续出现七次错误才能把“0”变成“1”，或“1”变成“0”！也就是说，反方向的锑自旋态的叠加是“宏观的”——因为它发生在更大的尺度上，并且实现了薛定谔猫。

  可扩展的技术  

研究人员将“锑原子猫”嵌入到一个硅量子芯片中，这种芯片类似于我们电脑和手机里的芯片，但经过改造能够让我们获取单原子的量子态。通过将原子“薛定谔猫”置于硅芯片内，研究人员对其量子态获得了极其精细的控制——或者说，对“锑原子猫”的生死获得了控制。

这项研究的突破为执行量子计算开辟了一条新途径。而且虽然它的信息仍然是以二进制代码“0”或“1”进行编码的，但在逻辑代码之间却拥有更多的“容错空间”——单个甚至少数几个错误，并不会立即扰乱信息。如果错误一旦出现，立即就会被发现，并在更多错误累积之前就会被纠正。

从长远来看，这项在硅芯片上实现“薛定谔猫”的技术，可以采用与我们目前制造现有计算机芯片相同的方法进行大规模扩展。这一研究成果展示了使用这种可扩展、可制造的半导体平台在制备和控制量子源状态方面的能力，这是量子信息处理和量子纠错应用的先决条件。