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设想在一个封闭的匣子里，有一只猫和一瓶毒药。毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个开关控制，开关由放射性原子控制。如果衰变发生，药瓶被打破，猫就会被毒死。
按照常识，猫要么生，要么死。然而，从量子力学的角度，由于放射性原子处于衰变和没有衰变的叠加态，相对于匣子外的世界，猫也应当处于一种活猫和死猫的叠加态。
只有打开匣子，我们才确切知道猫到底是死了还是活着。这就是著名的思想实验——薛定谔的猫。
类比于薛定谔的猫，当量子系统处于两种宏观可区分态的叠加态时，可以称其为“猫态”。近日，浙江大学物理学院团队和浙江大学杭州国际科创中心（简称科创中心）郭秋江团队联合中国科学院大学卡弗里理论科学研究所黄飚副教授，从“猫态”出发探索了一块新领域。他们在量子处理器上实现了60比特全局纠缠态的制备，将现有物理体系中全局纠缠态的记录（32比特）提高了近一倍，并首次利用时间晶体实现了对全局纠缠的保护和调控。相关研究成果于2024年10月12日发表于国际学术期刊Nature Communications上。薛定谔的猫在时间晶体中舞蹈
以色列开放大学Guy Amit博士根据团队工作利用AI（Midjourny）创作的示意图
在量子计算理论和技术快速迭代发展的背景下，多比特纠缠态的制备和调控愈发显得重要。而所有比特最大纠缠态Greenberger-Horne-Zeilinger态（GHZ 态）的制备，是最有挑战性的内容之一，对量子系统的相干性、调控技术和测量手段要求极高。自1998年科学家利用核磁共振技术首次制备3比特全局纠缠态以来，多比特全局纠缠态的制备犹如量子计算的一颗明珠，是衡量量子计算机性能的重要指标之一。随后，科学家先后在光子、NV色心、超导量子比特、中性原子、离子阱等各量子平台上实现了全局纠缠态的制备，并不断刷新比特数记录，达到32比特。我们通过提高量子芯片的集成度、相干性和操控精度，在本工作中将全局纠缠的比特数目提高到了60，且保真度远超0.5，大幅度领先于前世界纪录。英国New Scientist杂志专栏报道了这项工作，德国马普所Mario Kernn教授评价为“这是令人印象深刻的实验工作，展示了巨大技术进步”。图源：https://mariokrenn.wordpress.com/fancy-science
团队不仅制备了高保真度的全局纠缠态，还探索了全局纠缠态的保护和调控等更具实际应用价值的课题。正如“薛定谔的猫”的任何毛发受到触碰都可能会丢失量子叠加性，全局纠缠态往往十分脆弱，任何一个比特受到的微扰都可能会破坏全局纠缠的状态。因此，它的“寿命”往往很短，人们很难有效地利用它所携带的量子信息来完成复杂的量子应用。另一方面，近十年兴起的离散时间晶体作为一种崭新的非平衡物态，能够在周期性弗洛凯驱动下表现出时间上的长程序，看上去就像是量子系统的状态只要经历一段离散时间的整数倍之后，就能被反复地“复现”。更重要的是，这种周期性的复现对微扰是不敏感的。黄飚副教授提出了一种新型“猫疤痕态”时间晶体，能够选择性地将GHZ态编码于希尔伯特空间中的一个稳定子空间内，展现鲁棒的周期性往复现象。听到这个想法后，科创中心的郭秋江研究员意识到，“既然离散时间晶体具有全局纠缠的本征态，那么我们为什么不用它来保护和调控脆弱的GHZ纠缠态呢？”他们一拍即合，将薛定谔的猫“放入”时间晶体中，利用“猫疤痕时间晶体”保护和调控脆弱的量子纠缠。为了验证这个想法，团队生成一个36比特猫，并设计了“薛定谔猫干涉仪”来观测时间晶体对它的保护效果。团队发现，在时间晶体的作用下，整个系统像是一个封闭的舞池，猫态在舞池内周期性的舞蹈。“时间晶体的强相互作用使得构成猫态的量子比特间产生高度‘共鸣’，即使‘节拍’（周期性驱动）有一定瑕疵，猫态仍然能够不受干扰，继续舞蹈并持续很长时间。这展示了时间晶体确实能够对猫态起到保护作用。作为对比，如果没有节拍，仅仅是静止猫态，环境噪声会迅速摧毁它的相干性。此外，如果只是简单地‘打拍子’，即无相互作用的单比特翻转，这虽然可以抵消一部分环境噪声，但一旦拍子有错误，舞池内的猫就会被干扰，迅速失去相干性并停止舞蹈。”博士生包泽杭介绍道。团队观察到，在时间晶体的保护下，猫态的寿命三倍长于不做任何操作时猫态的“存活”时间，这是人们首次展示时间晶体的实际应用价值。
最后，团队还通过对时间晶体的实时编辑，展示了对猫态“起舞”和“终止舞蹈”的实时调控。“我们既可以通过调控时间晶体产生热化的光锥，停止对猫态的保护，还可以同步更新系统状态和时间晶体参数切换到对另一个猫态的保护，将保护变得‘定制化’”，黄飚说。
从发现时间晶体到开拓时间晶体的应用价值，未来，这种新奇的物质会不会成为探索未知世界的一个突破口呢？我们将拭目以待。
*本文的同等贡献第一作者为：包泽杭（浙江大学博士生）、徐世波（浙江大学博士生）。通讯作者为：郭秋江（浙江大学杭州国际科创中心百人研究员）、黄飚（国科大卡弗里理论科学研究所副教授）、王浩华（浙江大学物理学院教授）。该研究得到了科技部、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、浙江省尖兵计划和新基石科学基金会探索奖的支持。本文编辑：何心怡
审核：潘怡蒙
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