中國科學家實現對任意噪聲免疫的薛定諤貓態 推動量子通信網絡建設

近日，中科大潘建偉院士及其同事陳宇翱、劉乃樂等採用光子級聯編碼的方式，實現了對於任意噪聲都具有高容錯率的薛定諤貓態，朝着實現大尺度量子網絡乃至宏觀糾纏態邁出了重要一步。該成果發表在最新出版的國際權威學術期刊《自然·光子學》上。

“薛定諤貓”是量子力學創始人之一埃爾温·薛定諤於1935年提出的一個假想實驗，即在特殊的設定環境下，貓的生死狀態取決於探測結果，未探測時處於“糾纏狀態”。2012年，奧地利物理學家提出了一種級聯貓態的概念，在該方案中通過將普通貓態作為一個編碼邏輯單元，採用級聯編碼的方式組合起來，可以達到有效抵抗退相干作用的目的。

潘建偉小組發展了一套可擴展的編碼方式，用兩個光子比特編碼一個邏輯比特，製備了一個三邏輯比特的級聯貓態，通過實驗觀察級聯貓態與普通貓態在不同噪聲影響下各自的糾纏演化特性，演示了編碼貓態對任意噪聲免疫的顯著優越性。

“薛定諤貓”實驗裝置示意圖

薛定諤貓：量子通信的存儲器

“薛定諤之貓”是奧地利物理學家埃爾文·薛定諤在1935年提出的一個理想實驗，用以形象地説明量子世界所特有的“狀態疊加”現象。

設想我們把一隻貓放進一個不透明的盒子裏，然後把這個盒子連接到一個特殊的機關，這個機關由一個放射性原子核和一個裝有有毒氣體組成。這個放射性原子核在一個小時內有50%的可能性發生衰變。如果發生衰變，它將會發射出一個粒子，而發射出的這個粒子將會觸發機關，打開裝有毒氣的容器，從而殺死這隻貓。根據量子力學，未進行觀察時，這個原子核處於已衰變和未衰變的疊加態，因此盒子裏的貓就處於生死疊加的狀態；但是，如果我們把盒子打開進行觀察，原子核的狀態就被確定下來，實驗者只能看到“衰變的原子核和死貓”或者“未衰變的原子核和活貓”兩種情況之一。

由於這一著名的設想，多個量子態的線性疊加狀態就被後人們稱為“薛定諤貓態”。

量子的“狀態疊加”特性是量子通信的基本原理之一。量子通信是由量子態粒子攜帶信息的通信方式，而正如今天的半導體存儲裏利用0和1兩個不同的電壓來存儲數據一樣，量子態粒子對數據的存儲是靠“狀態疊加”來實現的。

作為新一代通信技術，量子通信基於量子信息傳輸的高效和絕對安全性，成為近幾年來國際科研競爭中的焦點領域之一。1997年，在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現量子信息遠程傳輸。潘建偉回國後成為中國最年輕的院士之一，幫助中國在量子通信領域躋身全球一流水平。2012年，中國科學技術大學和安徽量子通信技術有限公司合肥城域量子通信試驗示範網已投入使用。