老薛家的貓長到20斤了！我國科學家成功製備20量子比特的薛定諤貓態_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2019-08-16 10:47
**撰文 |**無邪（量子計算領域從業人員）
筆者以為，由於超導量子比特本身是一個宏觀量子比特，其物理意義相比哈佛團隊在自然原子中的結果更大——儘管其GHZ態的數量少於哈佛的裏德堡原子系統，保真度也略低一些。
最近，中國科學家們在量子信息領域叕做出重磅科研成果：來自浙江大學、中科院物理研究所等單位的科研人員，基於超導量子計算系統，成功製備出20個量子比特糾纏構成的“薛定諤貓”態。這一成果發表在最新一期（2019年8月9日）的國際頂級期刊Science（科學）上（Science 365, 574-577 (2019)）。與這一工作一同發表的還有哈佛大學的Mikhail Lukin團隊在裏德堡原子系統中製備出20個原子GHZ（Greenberger-Horne-Zeilinger）態的工作（Science 365, 570-574 (2019)）。兩項工作，不同的體系，數量相當，都是“薛定諤貓”態，足見學術界對這一工作的重視。此文一出，國內媒體報道如雪片般飛，我老婆第一時間微信轉給我看，然後問，是不是很厲害？我當然回答很厲害啦！怎麼厲害法？擼薛定諤的肥貓是什麼鬼？額……這個真不好在微信回答呀！每當我真要認真回答的時候，老婆就説哎呀我要監督娃練琴了，等會再説哈，我……
老婆大人的問題，在吃瓜羣眾中應該比較具有代表性，這激勵了我寫這篇科普（我當時真的組織了半天語言準備講的時候硬生憋回去了，着實不爽）。我國的科研水平近十餘年時間裏確實有飛速的發展，這一成果，不僅需要頂尖的微納加工芯片製備工藝水平，還需要頂尖的實驗設備硬件和測量水平，同時，還要求不同專長的科學家們通力合作。這一成果的合作單位包括浙江大學、中科院物理所、北京計算科學研究中心、中科院自動化所、中科大等多家科研機構，他們有的專注於芯片製備，有的專注於實驗測量，有的專注於理論推演，有的專注於數值模擬……最終共同講出了一個令世人震驚的故事：我們擼了一隻比較肥的薛定諤的貓！而且老薛家的貓真的不好擼！
既然是一個關於擼貓的故事，那就應該從這隻貓講起。老薛家的貓是一隻詭異的貓，一隻可憐的貓，一隻被世人討論近百年，還將繼續討論下去的貓。這隻貓來源於量子力學創始人之一——薛定諤的一個假想實驗。眾所周知，薛定諤對量子力學最大的貢獻是推出了著名的薛定諤方程，這一方程能夠準確推導出氫原子能譜等諸多量子力學問題的解，同時又保持了傳統物理學的優雅特性——一個連續的微分方程。相比之下，海森堡就不止一次抱怨大家不喜歡用他的矩陣力學——儘管後來大家發現量子力學與線性代數有着極為緊密的聯繫。然而，薛定諤終究是一位受傳統物理學影響至深的物理學家。和愛因斯坦一樣，薛定諤堅信物理學一定是描述客觀實在的，一定是連續的，符合因果律的。因此，當另一位量子力學之父——玻爾邀請他去哥本哈根大學講學，以就量子力學的解釋問題交換意見時，薛定諤“從火車站就開始，然後日以繼夜”地與玻爾展開辯論（薛定諤當時就住玻爾家）以至於病倒。這次的辯論對薛定諤自然造成一定的影響，他不斷的思考波函數的意義，儘管他一定程度上不反對哥本哈根學派的量子力學詮釋，但他終歸不肯放棄物理實在性，始終無法接受波函數是一個不可觀測的東西。
假如我們回到薛定諤所處的年代，一定也會為一個問題感到困惑——事實上我們現在仍為這個問題感到困惑：既然在經典世界裏，牛頓力學是如此的成功，而在微觀世界裏量子力學也同樣成功，這兩種力學體系是如何過渡的？為什麼經典（宏觀）世界裏那麼確定的東西，到了量子（微觀）世界就變得那麼不可捉摸？假如，我們不得不承認牛頓力學在經典世界是正確的，量子力學在微觀世界也是正確的，那它們之間的界限在哪裏？從什麼時候量子的就一下變成經典的了？帶着這樣的問題，薛定諤構想了一個思想實驗，巧妙的將微觀現象與宏觀物體聯繫在一起，這就是著名的“薛定諤的貓”實驗。
在這個實驗裏，一隻貓和一個毒氣瓶、一個錘子、一個蓋革計數器以及一個放射性源（比如鐳）關在一個密閉的箱子裏。放射性源會發生衰變——這是一個典型的量子力學過程，而蓋革計數器能探測衰變放出的射線。如果我們將蓋革計數器與錘子聯繫起來：當計數器探測到一個射線粒子時，錘子就會落下，剛好砸在毒氣瓶上，那麼，衰變過程就會跟貓聯繫起來——一旦衰變發生，毒氣瓶就被打碎，貓咪就被毒死了。假如我們認為量子力學是普適的，那麼整個系統總是可以用一個波函數來描述——且不管這個波函數具體是什麼形式。現在我們試着來寫下這個波函數：
P*|衰變前的粒子+活貓>+(1-P)*|衰變後的粒子+α粒子+死貓>
P表示衰變的概率，很抱歉這裏用了狄拉克括號來表示波函數，我們可以不用管這個形式，取其意而略其形。作為一生都生活在宏觀世界裏的人，毫不懷疑打開這個箱子的時候要麼看見一隻活着的貓，要麼看見一隻死貓。然而，從量子力學的角度，我們總能引入另一個其他的可觀測量（換一種觀測形式，而不是打開箱子看）——數學上並不禁止我們這麼做，這個可觀測量的本徵態是上面給出的波函數兩種狀態的線性疊加。也就是説，如果我們去觀測這個“可觀測量”，我們就會看到這隻可憐的小貓的“殭屍”態——一隻既死又活的貓！
這種殭屍態的貓顯然是反直覺的。那麼，是什麼導致了量子的“死+活”圖像向經典的“死或活”圖像的突然轉變呢？關於這個問題的回答，幾乎涵蓋了哲學的各個方面，從多世界解釋到觀測者的自由意志在塌縮中扮演的關鍵角色等等，一旦跳入這些本體論或認識論的迷思中，我們就“走火入魔”了，很多民科就是這樣誕生的。
薛定諤的貓問題很難糾扯清楚，我們唯一確定的是，量子力學在解釋微觀世界方面“太成功”了，大量的實驗結果與理論預言精確吻合——這裏用了精確二字，一點不為過。這迫使我們相信，在基本原理層面上，任何系統都是遵循量子力學原理並可由量子力學描述的，經典力學只是它的一個極限情況。我們有理由相信，在一定程度上，薛定諤貓的實驗中構造的波函數是正確的，這個波函數，就是所謂的“薛定諤的貓”態。
如果要給薛定諤的貓態下個定義，它是宏觀數量的粒子相干態的疊加態。宏觀數量自然是一個很大的數量，比如説我們眼前所見的任何物品，哪怕小到一粒PM2.5粒子，都包含了極大數量的微觀粒子，20個，相對於宏觀來説簡直少的可憐（一滴水中包含的水分子數在1020量級），不過這是科學家在實驗室內能夠製備出的包含最多粒子數的薛定諤貓態了。從這個角度講，這隻薛定諤的肥貓其實不肥……
你看我肥不肥？（這是5元薛定諤貓態自旋Wigner函數的一個切面圖，圖中藍色的區域為負值，表明這個態是非經典的）
暫且不討論20個量子比特構成的薛定諤貓態是不是夠肥，我們還是討論幾句它的科學意義吧。薛定諤的貓態，特別是其中的兩元貓態——GHZ態，在量子信息技術中有着重要的意義，比如量子態的瞬時傳遞、量子糾錯碼、量子計量學等（不要問我為什麼，我也是從論文中抄的）；同時，由於GHZ態既是最大糾纏態，也是最為脆弱的一種量子態，它也成為衡量量子硬件系統質量的一個重要基準。我國科學家是在一個超導量子系統中完成的薛定諤貓態製備，由於超導量子比特本身是一個宏觀量子比特（我準備再另起一篇專門討論這種“宏觀”量子比特），我認為其物理意義相比哈佛團隊在自然原子中的結果更大——儘管其GHZ態的數量少於哈佛的裏德堡原子系統，保真度也略低一些。
我們再來説説這個工作為什麼能發頂刊。構造20個量子比特的薛定諤貓態需要用到20個超導量子比特和一個能將所有量子比特耦合在一起的諧振腔。在這裏，我們可以把超導量子比特想象成一個“人工原子”，它像原子一樣具有分立的、不等間隔的能級結構，但可以人工“剪裁”和操控。為了使得實驗成功，我們首先必須保證所有的量子比特具有足夠長的退相干時間——實驗中用到的量子芯片平均的退相位時間在2微秒左右。製備貓態所需的操控時間則必須遠遠小於這個退相位時間。第二個難點在於，為了獲得貓態，我們要求所有“原子”與諧振腔耦合強度是一致的，並且“原子”之間沒有直接相互作用。事實上這是不可能做到的，首先即便在仿真設計階段將所有的參數調到理想，在芯片加工過程中也不可能保證實際器件無偏差；其次，20個“原子”排列在不到指甲蓋大小的區域內，芯片上的寄生電容/電感使得“原子”之間不可能無相互作用。
怎麼辦呢？科學家們需要巧妙設計實驗。首先保真各“原子”與腔的耦合因子大致相同；然後，設法將“原子”間的直接相互作用變成次要因素（也就是説，原子之間要發生相互作用，主要是通過諧振腔進行的）。只要操作的時間足夠短，由於這些非理想因素引起的相散就不明顯，得到的薛定諤貓態仍能保持其相干性。我們來看看獲得18個“原子”GHZ態所用的時間：187納秒。由於參與的人工原子越多，相散的問題越嚴重，因此對於20個GHZ態，已經無法看到其量子特徵了。不過，通過縮短時間到72納秒，可以得到5元的薛定諤貓態，通過wigner函數的計算，可以表明這個態是“非經典”的。出於嚴謹考慮，這裏用了“非經典”一詞，因為實際上沒有直接的實驗證據證明這個態是量子的。
最後，我再談一點個人瞎想的感想。兩個團隊，頂尖的科研硬件加頂尖的科學家，在想盡辦法縮短操作時間的情況下，總算得到保真度略高於0.5的多粒子糾纏態，數量僅為20。如果這個糾纏的數量增加到上百或上萬會怎麼樣？可想而知，對參數的控制、操控時間的要求將使得實驗變得幾乎不可能。而現實的宏觀系統包含的粒子數何止成千上萬？在這種情況下，極其微弱的非線性（兩種實驗薛定諤貓態的製備都用到了非線性）都將導致系統迅速退化到經典狀態，這就不難理解經典為什麼會是經典了——因為宏觀，所以經典。
回到量子系統，我們要實現“容錯的、通用的”量子計算，需要的量子比特數量一定是很多的。以表面編碼量子糾錯方案為例，要想實現2048位的大數分解算法，需要的量子比特數量將是百萬量級。這麼大數量的量子比特糾纏在一起，其量子性真能保持下去嗎？作為量子計算研究的從業者，我必須要保持樂觀，不過，從這些瞎想中，我還是感到那麼一絲悲觀的。（參見筆者早前在《返樸》發表的《談量子通信前，先看看經典保密通信安全性幾何？》）
Anyway，那又如何呢？量子計算，終將是人類征服自然的一場偉大壯舉，無論成敗，都將是史詩級的。各位看官，敬請期待更多的“重磅”“突破性”“顛覆性”成果吧！中國的科學家，已然走在探索世界的最前沿。
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