清華新聞網(wǎng)3月15日電 近日，清華大學(xué)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(guān)狀態(tài)的量子疊加態(tài)，其研究對(duì)理解宏觀(guān)尺度量子效應(yīng)具有重要意義。多粒子最大糾纏態(tài)（Greenberger-Horne-Zeilinger態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)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(zhì)，還能夠達(dá)到海森堡極限的測(cè)量精度，在量子信息和精密測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)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(shù)的GHZ態(tài)。因此，尋找新的GHZ態(tài)制備方法至關(guān)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(wú)糾纏的自旋相干態(tài)出發(fā)，通過(guò)一段較短時(shí)間的演化得到類(lèi)GHZ態(tài)。用多粒子廣義布洛赫球進(jìn)行描述，制備得到的類(lèi)GHZ態(tài)對(duì)應(yīng)球面上中心距離最大的兩團(tuán)準(zhǔn)概率分布，該量子態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)GHZ態(tài)的準(zhǔn)概率分布非常類(lèi)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(jié)構(gòu)，保證了演化過(guò)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(gè)端點(diǎn)附近（圖1）。
圖1. XYZ模型（上）與雙軸扭曲模型（下）的對(duì)比。（a）相空間軌跡；（b）量子態(tài)的時(shí)間演化準(zhǔn)概率分布圖（用Husimi Q函數(shù)表示）；（c）tc時(shí)刻的量子態(tài)
為了實(shí)現(xiàn)所提出的集體自旋XYZ模型，研究提出動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法，在常見(jiàn)的單軸扭曲型兩體相互作用基礎(chǔ)上，通過(guò)施加調(diào)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(guò)沿兩個(gè)正交軸施加周期性的旋轉(zhuǎn)脈沖，使自旋態(tài)依次沿三個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)行扭曲，利用這三段演化的不對(duì)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(shí)間太長(zhǎng)，導(dǎo)致演化過(guò)程退相干和粒子損耗的影響嚴(yán)重。而通過(guò)脈沖調(diào)控得到等效XYZ模型后，制備類(lèi)GHZ態(tài)所需時(shí)間得到了極大的縮短（lnN/N量級(jí)，N為粒子數(shù)），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(shí)間與粒子數(shù)N成反比[圖2（b）]，在粒子數(shù)很大時(shí)該方案的優(yōu)勢(shì)尤為顯著。
圖2.產(chǎn)生等效XYZ模型的脈沖方案。（a）脈沖序列示意圖，紅色和藍(lán)色方框分別代表沿x軸和y軸施加的π/2脈沖；（b）制備類(lèi)GHZ態(tài)需要的時(shí)間
該方案制備產(chǎn)生的類(lèi)GHZ態(tài)可用于實(shí)現(xiàn)量子精密測(cè)量。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行宇稱(chēng)測(cè)量，所獲得的測(cè)量精度與標(biāo)準(zhǔn)GHZ態(tài)的結(jié)果非常接近，可以達(dá)到海森堡極限的標(biāo)度律（圖3）。
圖3.宇稱(chēng)測(cè)量結(jié)果。（a）類(lèi)GHZ態(tài)（紅線(xiàn)）與標(biāo)準(zhǔn)GHZ態(tài)（藍(lán)線(xiàn)）的宇稱(chēng)振蕩結(jié)果對(duì)比；（b）測(cè)量精度與粒子數(shù)的標(biāo)度律；紅點(diǎn)為類(lèi)GHZ態(tài)結(jié)果，藍(lán)線(xiàn)表示海森堡極限
在噪聲環(huán)境中，由于該方案所需時(shí)間很短，退相干對(duì)演化造成的影響被顯著削弱。另外，用XYZ模型制備的類(lèi)GHZ態(tài)在對(duì)抗粒子損耗方面也更具有優(yōu)勢(shì)，可以在損失多個(gè)粒子的情況下仍保留部分糾纏特性，而標(biāo)準(zhǔn)GHZ態(tài)僅僅損失一個(gè)粒子就會(huì)丟失其全部糾纏特性。這些優(yōu)勢(shì)使該方法能夠有效應(yīng)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(kāi)辟了新的道路。
相關(guān)研究成果以“利用集體自旋XYZ模型快速制備類(lèi)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(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。
劉永椿為論文的通訊作者，清華大學(xué)物理系2022級(jí)博士生張軒晨與西安交通大學(xué)2020級(jí)本科生胡知遙為論文的共同第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、清華大學(xué)低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和量子信息前沿科學(xué)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(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
