銻原子有8個不同自旋方向，其量子態(tài)的疊加比傳統(tǒng)量子比特更復雜。研究人員解釋說，銻原子就像有7條命的貓。圖片來源：澳大利亞新南威爾士大學

澳大利亞新南威爾士大學工程師成功演示了一個基于量子力學的“銻貓”實驗，為執(zhí)行量子計算提供了一種全新方法。這種方法更穩(wěn)健，為解決量子計算領域面臨的最大挑戰(zhàn)之一——糾錯帶來了重要突破。該成果發(fā)表在最新一期《自然·物理學》雜志上。

這個思想實驗借鑒了“薛定諤的貓”的概念，即一只生死取決于放射性原子衰變的貓。根據(jù)量子力學原理，除非直接觀察該原子，否則必須認為它處于疊加態(tài)，即同時處于衰變和未衰變雙重狀態(tài)。這導致了一個令人困擾的結論：貓?zhí)幱诩人烙只畹寞B加態(tài)。于是，科學家用“薛定諤的貓”來比喻相差很大的量子態(tài)的疊加。

如果用自旋來描述量子比特，則可將“自旋向下”作為“0”態(tài)，將“自旋向上”作“1”態(tài)。但是，如果自旋方向突然改變，就會立即遇到邏輯錯誤：“0”變成“1”，或者反之，只是一瞬間的事。這就是為什么量子信息如此脆弱的原因。

不過，此次實驗對象是銻原子而非貓。研究團隊用銻原子的自旋方向來編碼量子信息。銻原子具有8個不同的自旋方向，這使得其量子態(tài)的疊加比傳統(tǒng)量子比特更為復雜。銻自旋在相反方向上的疊加態(tài)不僅僅是“1”和“0”的疊加，因為疊加態(tài)的兩個分支之間存在多個量子態(tài)。

這種特性就使得銻自旋方向突然改變時，不會導致邏輯錯誤立即發(fā)生。即使出現(xiàn)單個錯誤，也不會立即擾亂量子信息，這為量子計算提供了更高的容錯性。

研究領導者、新南威爾士大學教授安德烈亞·莫雷洛解釋道，俗話說貓有9條命，而在他們的研究中，銻原子就像有7條命的貓，需要連續(xù)出現(xiàn)7個錯誤才會將“0”變成“1”。

此外，研究團隊還將銻原子嵌入在硅量子芯片中，實現(xiàn)了對量子態(tài)的精確控制。從長遠來看，該技術還能使用與制造計算機芯片類似的方法來擴展生產(chǎn)。（記者張佳欣）

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