“锑猫”实验为量子计算纠错提供新方法

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锑原子有8个不同自旋方向，其量子态的叠加比传统量子比特更复杂。研究人员解释说，锑原子就像有7条命的猫。图片来源：澳大利亚新南威尔士大学

科技日报北京1月14日电（记者张佳欣）澳大利亚新南威尔士大学工程师成功演示了一个基于量子力学的“锑猫”实验，为执行量子计算提供了一种全新方法。这种方法更稳健，为解决量子计算领域面临的最大挑战之一——纠错带来了重要突破。该成果发表在最新一期《自然·物理学》杂志上。

这个思想实验借鉴了“薛定谔的猫”的概念，即一只生死取决于放射性原子衰变的猫。根据量子力学原理，除非直接观察该原子，否则必须认为它处于叠加态，即同时处于衰变和未衰变双重状态。这导致了一个令人困扰的结论：猫处于既死又活的叠加态。于是，科学家用“薛定谔的猫”来比喻相差很大的量子态的叠加。

如果用自旋来描述量子比特，则可将“自旋向下”作为“0”态，将“自旋向上”作“1”态。但是，如果自旋方向突然改变，就会立即遇到逻辑错误：“0”变成“1”，或者反之，只是一瞬间的事。这就是为什么量子信息如此脆弱的原因。

不过，此次实验对象是锑原子而非猫。研究团队用锑原子的自旋方向来编码量子信息。锑原子具有8个不同的自旋方向，这使得其量子态的叠加比传统量子比特更为复杂。锑自旋在相反方向上的叠加态不仅仅是“1”和“0”的叠加，因为叠加态的两个分支之间存在多个量子态。

这种特性就使得锑自旋方向突然改变时，不会导致逻辑错误立即发生。即使出现单个错误，也不会立即扰乱量子信息，这为量子计算提供了更高的容错性。

研究领导者、新南威尔士大学教授安德烈亚·莫雷洛解释道，俗话说猫有9条命，而在他们的研究中，锑原子就像有7条命的猫，需要连续出现7个错误才会将“0”变成“1”。

此外，研究团队还将锑原子嵌入在硅量子芯片中，实现了对量子态的精确控制。从长远来看，该技术还能使用与制造计算机芯片类似的方法来扩展生产。