「拯救」薛定諤的貓
日期：2019年6月3日
引源：耶魯大學
摘要：研究人員通過預測薛定諤著名的貓，它是量子疊加和不可預測性的象徵，通過預測它的躍遷並用實時行動來拯救它免受眾所周知的厄運。
耶魯大學的研究人員想出了如何捕捉和拯救薛定諤的貓，它是量子疊加和不可預測性的象徵，通過預測它的躍遷並實時行動來拯救它免受眾所周知的厄運。在此過程中，他們推翻了多年來量子物理學的基石教條。
這一發現使研究人員能夠為含有量子信息的人造原子的躍遷建立一個預警系統。宣布這一發現的研究發表在6月3日《Nature》雜誌的網路版上。
薛定諤的貓是一個眾所周知的悖論，用來說明疊加的概念——兩個相反的狀態同時存在的能力——以及量子物理學中的不可預測性。這個想法是把一隻貓放在一個裝有放射源和毒素的密封盒子里，如果放射性物質的一個原子衰變就會觸發這種毒素。量子物理學的疊加理論表明，在有人打開盒子之前，貓既是活的又是死的，這就是狀態的疊加。打開盒子觀察這隻貓，它會突然隨機改變它的量子狀態，迫使它要麼死要麼活。
量子躍遷是觀察到的狀態的離散（非連續）和隨機變化。
這項實驗是在耶魯大學Michel Devoret教授的實驗室中進行的，由第一作者Zlatko Minev提出，該實驗首次涉及量子躍遷的實際運作。研究結果揭示了一個令人驚訝的發現，這與丹麥物理學家Niels Bohr的既定觀點相矛盾——躍遷既不是突然的，也不像以前想像的那樣隨機。
對於一個微小的物體，如電子、分子或含有量子信息的人造原子（稱為量子比特），量子躍遷是指從一個離散的能量狀態突然過渡到另一個能量狀態。在開發量子計算機的過程中，研究人員必須處理量子比特的躍遷，這是計算錯誤的表現。
神秘的量子躍遷是Bohr一個世紀前提出的理論，但直到20世紀80年代才在原子中觀察到。
「每次我們測量一個量子比特時這些躍遷都會發生，」耶魯大學應用物理與物理學F.W. Beinecke教授、耶魯量子研究所成員Devoret說。「從長遠來看，量子躍遷是不可預測的。」
「儘管如此，」Minev補充說，「我們想知道是否有可能得到一個提前預警信號，即躍遷即將發生。」
Minev指出，該實驗的靈感來自奧克蘭大學的Howard Carmichael教授的理論預測，他是量子軌道理論的先驅，也是這項研究的合著者。
除了它的基本影響之外，這個發現是理解和控制量子信息的一個潛在的重大進展。研究人員說，可靠地管理量子數據，並在錯誤發生時糾正錯誤，是開發完全有用的量子計算機的關鍵挑戰。
耶魯大學的研究小組使用一種特殊的方法來間接監測一個超導人造原子，其中三個微波發生器照射封閉在鋁製成的三維空腔中的原子。Minev為超導電路開發的雙重間接監測方法使研究人員能夠以前所未有的效率觀察原子。
微波輻射使人造原子同時被觀測到，從而產生量子躍遷。這些跳躍的微小量子信號可以在不損失室溫的情況下被放大。在這裡，他們的信號可以實時監控。這使得研究人員能夠看到檢測光子的突然缺失（由微波激發的原子輔助狀態發射的光子）；這種微小的缺失是量子躍遷的先兆。
Devoret說：「這個實驗所顯示出的美麗效果是，儘管觀察到了躍遷過程中的相干增強。」Minev補充道，「你不僅可以利用這一點來抓住躍遷點，還可以將其逆轉。」
研究人員說，這是一個關鍵點。雖然量子躍遷在長期看來是離散的和隨機的，但逆轉量子躍遷意味著量子狀態的演化在某種程度上具有確定性而非隨機性；躍遷總是以相同的、可預測的方式從其隨機起點開始。
「原子的量子躍遷有點像火山爆發，」Minev說。從長遠來看，它們是完全不可預測的。儘管如此，通過正確的監測，我們可以確定地檢測到即將發生的災難的預警，並在災難發生之前採取行動。
該研究的其他合著者包括耶魯大學的Robert Schoelkopf、Shantanu Mundhada、Shyam Shankar和Philip Reinhold；奧克蘭大學的RicardoGutiérrez-Jáuregui；以及法國計算機科學與自動化研究所的Mazyar Mirrahimi。這項研究得到了美國陸軍研究辦公室的支持。這項新的研究是耶魯大學量子研究工作的最新進展。耶魯大學的科學家們站在開發第一台完全有用的量子計算機的前沿，並在超導電路量子計算方面做了開創性的工作。
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