薛定谔猫代码的插图，显示“活”和“死”状态之间的叠加。 （由文森佐·萨沃纳/洛桑联邦理工学院提供）
英国有句谚语说：“猫有九命。 他打了三场比赛，三场比赛他迷失了方向，最后三场他留下来。” 然而，在量子世界中，物体可以同时处于状态叠加。 因此，量子猫可以同时存在于玩耍、流浪和停留的叠加状态。
尽管字面上的量子猫听起来像科幻小说，但所谓的“猫态”——表现出量子叠加性质的半经典态——是真实存在的。 更重要的是，它们可能是量子计算机发展的核心，量子计算机是利用量子力学的力量来解决问题的机器。 挑战在于找到控制它们的方法，瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员最近在这一领域取得了突破。 通过优化特定的控制参数，他们找到了一种方法，可以使基于猫状态的量子比特（qubit）对某些类型的错误更具弹性。
一个著名的思想实验
猫状态的概念受到埃尔文·薛定谔著名的思想实验的启发，其中一只猫在被观察之前既是活的又是死的。 这个矛盾的图景代表了Atom和分子的微观量子世界与宏观经典世界之间的桥梁。
跨越这座桥梁的计算将代表我们计算能力的范式转变，因为大规模量子计算机可以解决经典机器无法解决的问题。 然而，当今的量子设备面临着巨大的可扩展性挑战。
实现功能齐全且可扩展的量子硬件的核心是与噪声的斗争，噪声会损害量子计算的可靠性，并且需要复杂的策略来纠正噪声引起的错误。
薛定谔猫说：量子叠加作为信息载体
薛定谔猫态是解决这些错误的一种特别有前途的方法。 在许多平台中，这些猫状态是通过将具有定义相位（例如“活”状态）的相干（主要是经典）光状态与另一个相反相位状态（“死”状态）叠加而创建的。 虽然相干态编码相当于经典逻辑中的 0 和 1，但量子计算的强大之处在于可以访问两者的任意叠加，即猫态，即量子谐振子的状态。
布洛赫球表示在亚稳态状态下运行的猫状态，其中驱动场的失谐和由于耗散相变导致的非线性相互竞争。 这种竞争导致光子注入速度显着减慢，从而增强了系统的错误抑制能力。 （由 Luca Gravina 等人提供，“关键薛定谔猫量子位”，PRX Quantum 4 020337 https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.4.020337）
将基于猫状态的量子位与其他编码量子信息的方案区分开来的一个因素是它们对所谓的位超越错误的固有弹性，当系统在逻辑 0 和 1 状态之间随机传递时会发生这种错误。 这种通道可以想象为一个钟摆，其中状态 0 位于平衡点的左侧，状态 1 位于平衡点的右侧。 然而，实现利用这种弹性的“猫代码”会带来一些挑战，因为很难在生成猫状态的同时保持与操作员执行量子计算所需的一切（例如量子门和读出测量）的兼容性。
错误抑制方面的创新
在最近的工作中，洛桑联邦理工学院Nano系统理论物理实验室的 Luca Gravina、Fabrizio Minganti 和 Vincenzo Savona 发现了一个额外的且很大程度上被忽视的控制参数：驱动“钟摆”的力与共振之间的失谐或频率差。量子谐振子的频率。 该参数对猫量子位的属性有很大的影响，正确设置它可以将量子位对位超越错误的恢复能力提高几个数量级。
洛桑联邦理工学院的研究人员彻底调查了量子位所有操作机制中这种改进的本质。 特别是，他们将其与一阶耗散相变形式的耗散临界性的存在联系起来。 在猫量子位的背景下，耗散临界性是一种结合双光子驱动和双光子损失的方案，以稳定此类量子位的运行。
研究人员证明，在这些接近相变运行的驱动耗散非线性谐振器中，有可能获得特别有利的运行状态。 这种编码的亚稳态性质也使得量子信息和耗散临界性之间的相似性成为可能，将猫态中的噪声抑制概念和通常用于描述临界现象的刘维尔谱理论联系起来。
EPFL 团队的研究结果强调，仔细调整表征生成猫状态的设备的各种参数（非线性、双光子耗散和失谐）可以将猫代码的性能提高到超出当前水平。 反过来，这将为实现可扩展的量子设备铺平道路。
未来，格拉维纳和同事渴望模拟非线性、耗散和高阶非线性如何成为资源。 除了将他们的发现应用于各种物理模型之外，他们还希望研究耗散临界性的作用，并利用结果来探索不同的代码如何实现类似的性能改进。
该研究发表在 PRX Quantum 上。
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