銻原子有8個(gè)不同自旋方向，其量子態(tài)的疊加比傳統(tǒng)量子比特更復(fù)雜。研究人員解釋說，銻原子就像有7條命的貓。圖片來源：澳大利亞新南威爾士大學(xué)

澳大利亞新南威爾士大學(xué)工程師成功演示了一個(gè)基于量子力學(xué)的“銻貓”實(shí)驗(yàn)，為執(zhí)行量子計(jì)算提供了一種全新方法。這種方法更穩(wěn)健，為解決量子計(jì)算領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)之一——糾錯(cuò)帶來了重要突破。該成果發(fā)表在最新一期《自然·物理學(xué)》雜志上。

這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)借鑒了“薛定諤的貓”的概念，即一只生死取決于放射性原子衰變的貓。根據(jù)量子力學(xué)原理，除非直接觀察該原子，否則必須認(rèn)為它處于疊加態(tài)，即同時(shí)處于衰變和未衰變雙重狀態(tài)。這導(dǎo)致了一個(gè)令人困擾的結(jié)論：貓?zhí)幱诩人烙只畹寞B加態(tài)。于是，科學(xué)家用“薛定諤的貓”來比喻相差很大的量子態(tài)的疊加。

如果用自旋來描述量子比特，則可將“自旋向下”作為“0”態(tài)，將“自旋向上”作“1”態(tài)。但是，如果自旋方向突然改變，就會立即遇到邏輯錯(cuò)誤：“0”變成“1”，或者反之，只是一瞬間的事。這就是為什么量子信息如此脆弱的原因。

不過，此次實(shí)驗(yàn)對象是銻原子而非貓。研究團(tuán)隊(duì)用銻原子的自旋方向來編碼量子信息。銻原子具有8個(gè)不同的自旋方向，這使得其量子態(tài)的疊加比傳統(tǒng)量子比特更為復(fù)雜。銻自旋在相反方向上的疊加態(tài)不僅僅是“1”和“0”的疊加，因?yàn)榀B加態(tài)的兩個(gè)分支之間存在多個(gè)量子態(tài)。

這種特性就使得銻自旋方向突然改變時(shí)，不會導(dǎo)致邏輯錯(cuò)誤立即發(fā)生。即使出現(xiàn)單個(gè)錯(cuò)誤，也不會立即擾亂量子信息，這為量子計(jì)算提供了更高的容錯(cuò)性。

研究領(lǐng)導(dǎo)者、新南威爾士大學(xué)教授安德烈亞·莫雷洛解釋道，俗話說貓有9條命，而在他們的研究中，銻原子就像有7條命的貓，需要連續(xù)出現(xiàn)7個(gè)錯(cuò)誤才會將“0”變成“1”。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還將銻原子嵌入在硅量子芯片中，實(shí)現(xiàn)了對量子態(tài)的精確控制。從長遠(yuǎn)來看，該技術(shù)還能使用與制造計(jì)算機(jī)芯片類似的方法來擴(kuò)展生產(chǎn)。（記者張佳欣）

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