近日，新南威爾士大學(UNSW)的物理學家團隊在量子科學領域取得重大突破，他們首次成功創建并操縱了單個大型核自旋的量子疊加態，這一狀態與著名的“薛定諤的貓”思想實驗中的疊加態相似，對于量子信息處理和量子誤差校正具有潛在的重要意義。
從左到右依次為新南威爾士大學研究人員 Benjamin Wilhelm、Xi Yu、Andrea Morello 和 Danielle Holmes。(圖片來源：新南威爾士大學悉尼分校)
薛定諤的貓態，指的是量子系統中兩種截然不同的狀態的疊加。在UNSW的研究中，物理學家們利用銻原子這一具有較大核自旋的重原子，成功實現了貓態的創建和操縱。銻原子的高自旋值意味著其核自旋可以處于對應于八個不同方向的自旋狀態，這使得它成為一個高維量子系統，對量子信息處理尤為有價值。
研究論文的首席作者Xi Yu解釋說，傳統的量子比特僅用兩種量子態來描述，即“0”和“1”狀態。然而，這種系統很容易受到邏輯錯誤的影響，當0變為1或反之亦然時，信息就會丟失。而使用類似銻原子這樣的高自旋系統創建量子比特，可以降低發生邏輯錯誤的可能性。因為即使發生單一錯誤，也還有七個量子態可供選擇，需要連續發生七個錯誤才能徹底改變量子信息。
團隊負責人Andrea Morello表示，雖然研究團隊最初并非旨在制造和操縱貓態，而是在研究高自旋原子核的過程中偶然發現了這一成果。他們原本對觀察單個核自旋中的量子混沌感興趣，但隨后意識到高自旋系統在量子信息和量子糾錯碼中的潛在應用。
在研究中，團隊面臨的主要挑戰是設置七個必須精確同步的“時鐘”，以便跟蹤八級系統的量子態。直到最近，這還需要對波形發生器進行繁瑣的編程。然而，隨著專為量子應用量身定制的現場可編程門陣列(FPGA)發生器的出現，研究變得更加容易進行。
Morello指出，將貓態寄宿在硅芯片中意味著這項技術可以采用與當今計算機芯片行業類似的方法進行長期擴大。他展望說，想象一個硅中的量子處理器，包含數百萬個這樣的薛定諤貓態，這非常令人興奮且合理。
展望未來，UNSW團隊計劃在其銻系統中展示量子糾錯，并努力將銻原子與光刻量子點集成，以促進系統的可擴展性，并在貓態編碼量子比特之間執行量子邏輯運算。
本研究的詳細內容已刊登于《自然物理學》雜志上。
