清華新聞網3月15日電 近日，清華大學物理系劉永椿副教授研究組提出了一種新的大尺度薛定諤貓態(tài)制備方法，能夠在集體自旋系統(tǒng)中快速制備具有接近最大糾纏特性的量子態(tài)。
薛定諤貓態(tài)一般指兩種不同宏觀狀態(tài)的量子疊加態(tài)，其研究對理解宏觀尺度量子效應具有重要意義。多粒子最大糾纏態(tài)（Greenberger-Horne-Zeilinger態(tài)，簡稱GHZ態(tài)）是一種典型的薛定諤貓態(tài)，它不僅具有良好的糾纏性質，還能夠達到海森堡極限的測量精度，在量子信息和精密測量領域應用廣泛。然而，GHZ態(tài)十分脆弱，極易受到退相干和粒子損耗的影響，使用傳統(tǒng)的制備方法很難得到大粒子數的GHZ態(tài)。因此，尋找新的GHZ態(tài)制備方法至關重要。
該研究首次提出一種被命名為集體自旋XYZ模型的全新模型，創(chuàng)新性地引入了三體相互作用。使用這一模型，能夠從無糾纏的自旋相干態(tài)出發(fā)，通過一段較短時間的演化得到類GHZ態(tài)。用多粒子廣義布洛赫球進行描述，制備得到的類GHZ態(tài)對應球面上中心距離最大的兩團準概率分布，該量子態(tài)與標準GHZ態(tài)的準概率分布非常類似。相比于使用兩體相互作用的集體自旋模型（如雙軸扭曲模型），XYZ模型具有更豐富的相空間結構，保證了演化過程自旋態(tài)的分布可以近似“停留”在球面上距離最大的兩個端點附近（圖1）。
圖1. XYZ模型（上）與雙軸扭曲模型（下）的對比。（a）相空間軌跡；（b）量子態(tài)的時間演化準概率分布圖（用Husimi Q函數表示）；（c）tc時刻的量子態(tài)
為了實現所提出的集體自旋XYZ模型，研究提出動力學調控方法，在常見的單軸扭曲型兩體相互作用基礎上，通過施加調控脈沖合成出等效的XYZ模型。所需的脈沖序列如圖2（a）所示，通過沿兩個正交軸施加周期性的旋轉脈沖，使自旋態(tài)依次沿三個坐標軸進行扭曲，利用這三段演化的不對易性，即可合成出等效的三體相互作用XYZ模型。盡管直接使用單軸扭曲相互作用也可制備GHZ態(tài)，但所需時間太長，導致演化過程退相干和粒子損耗的影響嚴重。而通過脈沖調控得到等效XYZ模型后，制備類GHZ態(tài)所需時間得到了極大的縮短（lnN/N量級，N為粒子數），使得能夠在退相干和粒子損耗引起顯著影響之前制備出所需量子態(tài)。由于該方案所需的演化時間與粒子數N成反比[圖2（b）]，在粒子數很大時該方案的優(yōu)勢尤為顯著。
圖2.產生等效XYZ模型的脈沖方案。（a）脈沖序列示意圖，紅色和藍色方框分別代表沿x軸和y軸施加的π/2脈沖；（b）制備類GHZ態(tài)需要的時間
該方案制備產生的類GHZ態(tài)可用于實現量子精密測量。對系統(tǒng)進行宇稱測量，所獲得的測量精度與標準GHZ態(tài)的結果非常接近，可以達到海森堡極限的標度律（圖3）。
圖3.宇稱測量結果。（a）類GHZ態(tài)（紅線）與標準GHZ態(tài)（藍線）的宇稱振蕩結果對比；（b）測量精度與粒子數的標度律；紅點為類GHZ態(tài)結果，藍線表示海森堡極限
在噪聲環(huán)境中，由于該方案所需時間很短，退相干對演化造成的影響被顯著削弱。另外，用XYZ模型制備的類GHZ態(tài)在對抗粒子損耗方面也更具有優(yōu)勢，可以在損失多個粒子的情況下仍保留部分糾纏特性，而標準GHZ態(tài)僅僅損失一個粒子就會丟失其全部糾纏特性。這些優(yōu)勢使該方法能夠有效應用在包含大量粒子的系統(tǒng)中，為大尺度量子糾纏態(tài)的制備開辟了新的道路。
相關研究成果以“利用集體自旋XYZ模型快速制備類GHZ態(tài)”（Fast Generation of GHZ-like States Using Collective-Spin XYZ Model）為題，于3月12日發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
劉永椿為論文的通訊作者，清華大學物理系2022級博士生張軒晨與西安交通大學2020級本科生胡知遙為論文的共同第一作者。研究得到國家自然科學基金委、科技部、清華大學低維量子物理國家重點實驗室和量子信息前沿科學中心的資助。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.113402
供稿：物理系
題圖設計：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
