人工量子系统中量子纠缠新途径被发现

记者从浙江大学获悉，该校物理学系和量子信息交叉研究中心王大伟研究员同王浩华教授联合国内外多个研究团队，首次在人工量子系统中合成了反对称自旋交换作用，演示出利用手征自旋态制备量子纠缠的新方法。这项研究成果于22日发表在《自然·物理》杂志上。
“手征性是指物体和它的镜像不能重叠。好比左右手，互为镜面对称，上下叠放时却不重合。”王大伟解释道。德国理论物理学家洪特曾提出，由于原子之间的相互作用没有打破“左右对称”的形态，分子的定态应该是左手性和右手性分子的量子叠加态。然而实际情况是，左手性分子与右手性分子的量子叠加态极其不稳定。
此项研究中，王大伟提出在超导量子比特系统中合成反对称自旋交换作用来研究手征自旋态的量子叠加和量子纠缠，通过周期性调制量子比特频率并对不同比特采用不同的调制相位，可以在通过腔连接在一起的比特之间合成出反对称交换相互作用。这样不同手征态具有了不同的能量，自旋态的动力学演化体现出了左手性与右手性。
反对称自旋交换作用又是如何产生量子纠缠的？这需要同时利用量子叠加和自旋的手征性演化。浙大物理学系博士生宋超分别将三个比特制备在1态，0和1的叠加态和0态。整体而言，三个比特处于100和110的叠加态这一非纠缠态。这两个状态手征性演化方向相反，会变为010和101的叠加态。随即翻转第二个比特，就得到了000和111的叠加态，这就是一个典型的纠缠态。这种状态下，研究人员测量其中一个比特的能量值，另外两个即可确定为同一数值。
该成果将对研究量子磁性、提高多粒子纠缠态制备速度、利用手征自旋态进行量子计算等具有积极意义。