在一項于近期發表在《自然·物理》雜志上的研究中，一個物理學家團隊在硅芯片中，在現實世界實現了著名的思想實驗——“薛定諤貓”。這一成果有助于更好地糾正量子計算過程中累積的錯誤，為量子計算的執行提供了一種新的、更強大的方式。

薛定諤貓

“薛定諤貓”是量子力學中最著名的思想實驗之一。1935年，埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）提出了量子力學中最著名的思想實驗之一——薛定諤貓，它描述的是量子力學中的疊加（即兩種對立狀態可以同時存在的能力）的概念以及不可預測性。

在薛定諤的設想中，這只貓被放在一個密封的盒子里，盒子里裝有一份放射性物質和一份毒藥，如果放射性物質中的任何一個原子發生衰變，就會觸發毒藥，貓就會死亡。

根據量子物理學的疊加理論，在進行直接觀測之前，即在盒子被打開之前，貓會一直處于一種不確定的疊加態，它既是死的又同時是活的。這就導致了一個詭異的結論，那就是這只貓處于死和活的疊加態。只有在打開盒子的一瞬間，對貓進行的觀測才會導致它的量子態發生突然地隨機變化，迫使它要么死、要么活。

原子貓

雖然沒有人能真正親眼所見一只同時處于死和活的疊加態的貓，但并不妨礙物理學家試圖在現實世界的實驗室中實踐這一思想實驗。

在這項新的研究中，研究人員使用了重元素銻（Sb）原子來比喻薛定諤貓。銻具有較大的核自旋——它的自旋不僅僅是指向“上”和“下”這兩個不同的方向——而是八個。

這看似不多，但實際上卻徹底改變了系統的特性。因為銻自旋指向相反方向的疊加態并非僅僅是“上”和“下”的疊加，而是有多個量子態可以將疊加態的“上”和“下”分開。

這對那些致力于用原子核的自旋作為量子比特（一種僅由兩個量子態描述的對象）來制造量子計算機的科學家來說，具有重要意義。

通常，物理學家使用量子比特作為量子信息的基本單位。如果量子比特是自旋，就可以把向“上”的自旋稱為“1”態，把向“下”的自旋稱為“0”態。在量子計算中，使用核自旋的“上”和“下”作為“1”（開）和“0”（關）的兩個量子態是很常見的。

然而，一旦自旋的方向突然改變——0瞬間變成1，或者1變成0，量子系統就會面臨邏輯錯誤。這就是量子信息如此脆弱的原因，也是為何糾錯是量子計算領域面臨的最大挑戰之一。

但在具有八種不同自旋方向的銻原子中，如果將“0”編碼為“死貓”，將“1”編碼為“活貓”，那么改變自旋方向并不會立即引發邏輯錯誤，或者說，單個錯誤不足以打亂量子編碼。

原子薛定諤貓：“死”對應于銻核自旋完全指向下；“活”對應于銻核自旋完全向上。兩者的疊加會產生一個驚人的量子態，顯示出七條量子干涉條紋。條紋的數量對應于從一個極端到另一個極端所需的“自旋翻轉”的次數。在量子計算中，這相當于將“0”變成“1”、“1”變成“0”所需的連續錯誤數量，反之亦然。（圖/Tony Melov）

正如人們所說——貓有九條命。而對于這只“銻原子貓”，則有七條命：需要連續出現七次錯誤才能把“0”變成“1”，或“1”變成“0”！也就是說，反方向的銻自旋態的疊加是“宏觀的”——因為它發生在更大的尺度上，并且實現了薛定諤貓。

可擴展的技術

研究人員將“銻原子貓”嵌入到一個硅量子芯片中，這種芯片類似于我們電腦和手機里的芯片，但經過改造能夠讓我們獲取單原子的量子態。通過將原子“薛定諤貓”置于硅芯片內，研究人員對其量子態獲得了極其精細的控制——或者說，對“銻原子貓”的生死獲得了控制。

這項研究的突破為執行量子計算開辟了一條新途徑。而且雖然它的信息仍然是以二進制代碼“0”或“1”進行編碼的，但在邏輯代碼之間卻擁有更多的“容錯空間”——單個甚至少數幾個錯誤，并不會立即擾亂信息。如果錯誤一旦出現，立即就會被發現，并在更多錯誤累積之前就會被糾正。

從長遠來看，這項在硅芯片上實現“薛定諤貓”的技術，可以采用與我們目前制造現有計算機芯片相同的方法進行大規模擴展。這一研究成果展示了使用這種可擴展、可制造的半導體平臺在制備和控制量子源狀態方面的能力，這是量子信息處理和量子糾錯應用的先決條件。

#創作團隊：

撰文：小雨

排版：雯雯

#參考來源：

https://www.unsw.edu.au/newsroom/news/2025/01/quantum-computing-schroedingers-cat-silicon-chip?utm_source=threads&utm_medium=socialhttps://www.nature.com/articles/s41567-024-02745-0

#圖片來源：

封面圖&首圖：Tony Melov