量子计算机或将迎来重大飞跃

薛定谔猫无论是死的还是活的，左旋还是右旋——在量子世界中，粒子就像著名的薛定谔猫类比一样，都可以同时存在。现在一个国际研究团队，包括来自几所顶尖大学的科学家，以及来自Forschungszentrum Julich的科学家，已经成功地将20个纠缠量子比特转换成这种叠加状态。这种原子薛定谔猫态的产生，被认为是量子计算机发展的一个重要步骤，量子计算机在解决某些任务方面远超越经典计算机，研究结果发表在《科学》上。

1935年物理学家欧文·薛定谔（Erwin Schrodinger）提出了量子猫的思想实验，在这个实验中，这只猫被关在一个盒子里，里面有放射性样本、探测器和致命剂量的毒药。如果放射性物质衰变，探测器就会发出警报，释放出有毒物质。

其特别之处在于，根据量子力学的定律，不像日常经验，我们不清楚猫是死是活。在这里，这两种情况都是同时发生的，直到实验人员观察到为止，只有从这一观察开始，才能得到一个单一的状态。

自20世纪80年代初以来，物理学已经能够利用各种方法在实验室中通过实验实现量子态的叠加。来自Forschungszentrum Julich的Tommaso Calarco说：然而，这些量子猫的状态非常敏感，即使是最微小与环境的热相互作用也会导致它们坍塌。除此之外，Calarco还在欧盟量子旗舰计划——欧洲重大量子计划（major quantum initiative）中发挥了主导作用。由于这个原因，在薛定谔猫态中的量子比特很少，科学家现在可以通过实验室实验控制50多个量子比特。

然而，这些量子比特（量子位元）并没有显示薛定谔猫的特殊特性，与之形成对比的是，科学家现在使用可编程量子模拟器创建了20个量子位元，刷新了记录，即使考虑到其他物理方法，如光学光子、捕获离子或超导量子电路，仍然有效。来自世界上几个最著名研究机构的科学家联手开发了这项实验。除了Julich的研究人员，还有来自美国许多顶尖大学的科学家（哈佛大学、伯克利大学、麻省理工学院和加州理工学院）以及意大利帕多瓦大学也参与了进来。

来自Julich的Peter Grunberg研究所的物理学家（PGI-8）说：处于cat状态的量子位元被认为对量子技术的发展极其重要，未来量子计算机所期望的巨大效率和性能秘密将在这种状态的叠加中被发现。传统计算机中的经典位总是只有一个特定值，例如由0和1组成。因此，这些值只能逐位处理。由于叠加原理，量子位元可以同时具有多个状态，可以在一个步骤中并行地存储和处理多个值。量子位数量在这里是至关重要的，不可能只用一个量子位元就能有多少突破。

但是有了20个量子位元（量子比特），量子叠加态就超过了百万，300个量子位元可以同时存储的量比宇宙中的粒子还多。20个量子位元的新结果现在更接近这个值，之前14个量子位元的旧记录自2011年以来一直保持不变。在实验中，科学家使用了一个基于Rydberg原子阵列的可编程量子模拟器。在这种方法中，单个原子，在本研究中是铷原子，被激光束捕获，并排放在一行中，这项技术也被称为光镊。另一束激光激发原子，直到它们达到里德伯状态。

在这种状态下，电子位于原子核之外很远的地方。这个过程相当复杂，通常需要花费太多的时间，以至于脆弱的cat状态在被测量之前就被破坏了。研究团队贡献了在量子最优控制方面的专业知识来解决这个问题。通过巧妙地以正确的速度开关激光器，在制备过程中加快了速度，使这一新记录成为可能。实际上使一些原子“膨胀”到这样的程度，原子壳层与相邻原子合并，同时形成两种相反的构型，即占据所有偶数或奇数位置的激发态。

波函数重叠得如此之远，就像薛定谔的猫一样，所以能够创造出相反构型的叠加，也就是格林伯格-霍恩-泽林格态。在量子研究方面的进步，得到了我们中国科学家的添砖加瓦（成功实现20个超导量子比特量子纠缠），其研究成果也发表在新一期的《科学》上，为之，在此应该有掌声。