摘要：工程师在现实世界中展示了一个众所周知的量子思想实验。他们的发现提供了一种新的，更健壮的方法来执行量子计算，并且对误差校正具有重要意义，这是它们之间的最大障碍之一和工作量子计算机之间的最大障碍之一。...

UNSW工程师在现实世界中展示了一个众所周知的量子思想实验。他们的发现提供了一种进行量子计算的新的，更健壮的方法 - 它们对误差校正具有重要意义，这是站在它们和工作量子计算机之间的最大障碍之一。

量子力学使科学家和哲学家困惑了一个多世纪。最著名的量子思想实验之一是“Schrödinger'sCat”的实验，这是一只猫，其生与死取决于放射性原子的衰变。

根据量子力学的说法，除非直接观察到原子，否则必须将其视为叠加（即同时处于多个状态）的叠加且不会衰减。这给出了令人不安的结论，即猫是死者和活着的叠加。

UNSW研究团队的负责人安德里亚·莫雷洛（Andrea Morello）说：“没有人见过一只实际的猫同时死亡和活着，但是人们使用施罗丁格的猫比喻来描述量子状态的叠加，这些量子状态与大量不同。”自然物理学。

原子猫

对于这篇研究论文，莫雷洛教授的团队使用了一个锑原子，该原子比标准的“ Qubits”或量子构建块复杂得多。

该论文的首席作者Xi Yu说：“在我们的工作中，'猫'是锑的原子。”

"Antimony is a heavy atom, which possesses a large nuclear spin, meaning a large magnetic dipole. The spin of antimony can take eight different directions, instead of just two. This may not seem much, but in fact it completely changes the behaviour of the system. A superposition of the antimony spin pointing in opposite directions is not just a superposition of 'up' and 'down', because there are multiple quantum states separating the two branches of the superposition."

这对使用原子作为基本构建块的核旋转来构建量子计算机的科学家产生了深远的影响。

合着者本杰明·威廉（Benjamin Wilhelm）说：“通常，人们使用量子位或'Qubit'（仅由两个量子状态描述的对象）作为量子信息的基本单位。”

“如果量子是旋转的，我们可以称'旋转'''0'状态，然后'旋转''1'状态。但是，如果旋转的方向突然变化，我们立即有逻辑上的错误：0转到1或VICE，反之亦然。这就是为什么量子信息如此脆弱的原因。”

但是，在具有八个不同旋转方向的锑原子中，如果“ 0”被编码为“死猫”，而“ 1”作为“活着的猫”，则单个错误不足以争夺量子代码。

"As the proverb goes, a cat has nine lives. One little scratch is not enough to kill it. Our metaphorical 'cat' has seven lives: it would take seven consecutive errors to turn the '0' into a '1'! This is the sense in which the superposition of antimony spin states in opposite directions is 'macroscopic' -- because it's happening on a larger scale, and realises a Schrödinger cat," explains Yu.

可扩展技术

锑猫被嵌入在硅量子芯片中，类似于我们在计算机和手机中拥有的零芯片，但适应访问单个原子的量子状态。该芯片是由UNSW的丹妮尔·霍尔姆斯（Danielle Holmes）博士制造的，而曼尔本大学的同事将锑原子插入了筹码中。

福尔摩斯博士说：“通过在硅芯片中托管原子'schrödinger猫'，我们可以对其量子状态获得精美的控制 - 或者，如果您愿意的话，我们可以在其生与死中。”

“此外，在硅中托管'CAT'意味着，从长远来看，可以使用与我们已经采用的类似方法来扩展该技术，以构建我们今天拥有的计算机芯片。”

这一突破的意义在于，它为执行量子计算的新方法打开了大门。该信息仍以二进制代码为“ 0”或“ 1”编码，但是逻辑代码之间还有更多的“错误余地”。

莫雷洛教授说：“一个或什至几个错误，不会立即争先恐后。”

“如果发生错误，我们会立即检测到它，我们可以在进一步的错误累积之前对其进行纠正。要继续'Schrödinger猫'的隐喻，好像我们看到我们的猫在他的脸上大划痕回家。他远未死亡。他远未死亡，但我们知道他可以打架并造成战斗；在造成战斗的情况下，猫会再次受伤。”

量子错误检测和校正的演示 - 量子计算中的“圣杯”是团队将要解决的下一个里程碑。

这项工作是庞大的国际合作的结果。来自悉尼联合国开发计划署的几位作者，以及墨尔本大学的同事，制作并操作了量子设备。美国的理论合作者，桑迪亚国家实验室和NASA AMES，加拿大卡尔加里大学的理论合作者为如何创建猫以及如何评估其复杂的量子状态提供了宝贵的想法。

莫雷洛教授说：“这项工作是具有互补专业知识的世界领先团队之间开放式合作的一个很好的例子。”