自然杂志：薛定谔的猫变身“纠错猫”

       近日，发表于《自然》上的一篇论文显示，耶鲁大学的量子科学家制造出了会纠错的‘薛定谔的猫’。很多人都听说过‘薛定谔的猫’，它的‘既死又活’常常用来描述量子的叠加态。把一只猫、一个装有氰化氢气体的玻璃烧瓶和放射性物质放进封闭的盒子里。当盒子内的监控器侦测到衰变粒子时，就会打破烧瓶，杀死这只猫。

       根据量子力学，在实验进行一段时间后，猫会处于又活又死的叠加态。可是，假若实验者观察盒子内部，他会观察到一只活猫或一只死猫，而不是同时处于活状态与死状态的猫。

       近日，来自耶鲁大学的研究人员取得了量子力学的最新突破：‘纠错猫’。这不仅结合了薛定谔猫的叠加概念，还能在执行某项任务时，修正脆弱的量子位元中突然出现的一连串错误。新研究发表在《自然》上。

       在传统计算机中，信息被编码为0或1。在计算过程中出现的唯一错误是‘位翻转’（bit-flips），即某个信息位意外地从0翻到1，或者从0翻到1。纠正它的方法是建立冗余数据：使用三个“物理”位信息，以确保一个有效或准确的位。

       相比之下，量子比特会同时受到位翻转和“相翻转”的影响，即在量子叠加（当两种相反的状态同时存在时）之间随机翻转。到目前为止，量子研究人员一直试图通过增加更大的冗余来纠正错误，每个有效量子位都需要大量的物理量子位。

       进入猫量子比特——以‘薛定谔的猫’命名，这个著名的悖论用来说明叠加的概念。

       ‘我们的工作源于一个新想法。为什么不使用一种聪明的方法在单一的物理系统中编码信息，从而直接抑制一种类型的错误呢？’论文作者之一Devoret问道。

       与维持一个有效量子比特所需的多个物理量子位不同，单个猫量子比特可以单独防止相位翻转。猫量子比特将有效的量子比特编码为单个电子电路中的两种状态的叠加——在这种情况下，一个超导微波谐振器的振荡对应于猫量子比特的两种状态。

       ‘我们通过将微波频率信号应用到不比传统超导量子比特复杂多少的设备上来实现这一切。’Grimm说。

       研究人员表示，他们能够根据指令，将猫量子比特从叠加态的任何一种改变为任何其他叠加态。此外，研究人员开发了一种读取或识别编码到量子比特中的信息的新方法。

       Devoret说：‘这使得我们开发的系统成为一种多用途的新元件，有望在超导电路的量子计算的许多方面得到应用。’