2019年1月21日，《自然-物理》報道了現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗室研究員王大偉聯(lián)合國內(nèi)外多個相關(guān)團(tuán)隊，首次在人工量子系統(tǒng)中合成了反對稱自旋交換作用，演示了利用手征自旋態(tài)制備量子糾纏的新方法。

說起量子力學(xué)，總是繞不過那只著名的“薛定諤貓”。量子疊加和量子糾纏的發(fā)現(xiàn)使人們對世界的認(rèn)知發(fā)生了巨大變革。這一變革也關(guān)系到“手征性”這一概念，而手征性指的是物體和它的鏡像不能重疊。

在這項研究中，研究人員提出在超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)中合成反對稱自旋交換作用研究手征自旋態(tài)的量子疊加和量子糾纏。自旋是微觀粒子的基本屬性，電子的自旋態(tài)有兩個，對于人工合成的超導(dǎo)量子比特來說，它兩個能態(tài)可以被認(rèn)為是自旋的兩個態(tài)，對應(yīng)于能量值0和1。這兩個值在量子計算中也被看作比特的二進(jìn)制數(shù)。

自旋之間的相互作用分兩種，即交換自旋位置后不變的對稱相互作用和交換自旋之后變號的反對稱相互作用。對稱自旋交換相互作用已經(jīng)在人工量子系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)。反對稱自旋交換作用在拓?fù)浯偶ぐl(fā)、反常量子霍爾效應(yīng)和量子自旋液體中具有重要的作用，但在人工系統(tǒng)中很難合成。

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過周期性調(diào)制量子比特頻率并對不同比特采用不同的調(diào)制相位，可以在通過腔連接在一起的比特之間合成出反對稱交換相互作用。宇稱被打破，不同手征態(tài)具有了不同的能量，自旋態(tài)的動力學(xué)演化體現(xiàn)出了左手性與右手性。這類似于兩個平行世界，一個沿著時間往前走，一個往后走。

那么，反對稱自旋交換作用如何產(chǎn)生量子糾纏呢？這就需要同時利用量子疊加和自旋的手征性演化。研究人員介紹，首先將第一個比特制備在1態(tài)，第二個比特制備在0和1的疊加態(tài)，第三個比特制備在0態(tài)。整體而言，三個比特處于100和110的疊加態(tài)。這是一個非糾纏態(tài)，即對一個比特的測量不會影響另外兩個比特的狀態(tài)。這兩個狀態(tài)手征性演化方向正好相反，會變?yōu)?10和101的疊加態(tài)。隨即翻轉(zhuǎn)第二個比特，就得到了000和111的疊加態(tài)。

該成果對研究量子磁性、提高多粒子糾纏態(tài)制備速度、利用手征自旋態(tài)進(jìn)行量子計算等具有積極意義。

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