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首次實現 量子雙模式貓態

2016-07-26

  世界上有很多有名的貓,但最神秘、最難以理解的貓莫過于既死又活的“薛定諤貓”。新一期美國《科學》雜志發表研究說,科學家在實驗中制造出一種狀態更加奇異的“薛定諤貓”,它同時存在于兩個箱子之中,這項成果朝研制實用可靠的量子計算機邁出了又一步。

  根據量子力學理論,物質在微觀尺度上存在兩種完全相反狀態并存的奇特狀況,這被稱為有效的相干疊加態。由大量微觀粒子組成的宏觀世界是否也遵循量子疊加原理?奧地利物理學家薛定諤為此在1935年提出著名的“薛定諤貓”佯謬。

  “薛定諤貓”假設了這樣一種情況:將一只貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器里,如果鐳發生衰變,會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子,貓就會死;如果鐳不發生衰變,貓就存活。根據量子力學理論,鐳的衰變存在幾率,放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加,貓就理應處于死和活的疊加狀態,這就是所謂“薛定諤貓”。

  《科學》雜志發表的新研究第一次給單模式貓態引入量子糾纏的元素。量子糾纏是量子力學的另一個基本概念,大意是相隔很遠的兩個系統可以瞬間互相影響,被愛因斯坦稱為“遠距離鬧鬼”。

  論文第一作者、美國耶魯大學博士后王晨告訴新華社記者:“我們產生的量子態可以比作一只‘薛定諤貓’跨越兩個箱子,或者說是首次實現一種雙模式貓態。這是一個20年前就有所展望但是至今終于得以圓滿(解決)的難題。”

  具體而言,他們設計了兩個微波超導空腔,而“薛定諤貓”就是空腔內由幾十個光子組成的駐波。駐波是指兩個頻率相同的波在沿相反方向傳播時互相疊加而成的波。這兩個空腔內的光子雖然頻率不同,但跨空腔關聯,如同一只“薛定諤貓”同時存在于兩個箱子中。

  王晨說,這項成果的實際用途在于量子計算。未來的量子計算機可以比普通的計算機強大得多,但要實現有用的量子計算,量子糾錯能力必不可少,這是目前研制量子計算機的一個主要障礙,而雙模式貓態將有望為量子計算的運算過程加入量子糾錯。雙模式貓態還可對其他量子信息技術有所幫助,如量子通信、量子精密測量等。


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