老薛家的猫长到20斤了！我国科学家成功制备20量子比特的薛定谔猫态
笔者以为，由于超导量子比特本身是一个宏观量子比特，其物理意义相比哈佛团队在自然原子中的结果更大——尽管其GHZ态的数量少于哈佛的里德堡原子系统，保真度也略低一些。
撰文 | 无邪（量子计算领域从业人员）
最近，中国科学家们在量子信息领域叕做出重磅科研成果：来自浙江大学、中科院物理研究所等单位的科研人员，基于超导量子计算系统，成功制备出20个量子比特纠缠构成的“薛定谔猫”态。这一成果发表在最新一期（2019年8月9日）的国际顶级期刊Science（科学）上（Science 365, 574-577 (2019)）。与这一工作一同发表的还有哈佛大学的Mikhail Lukin团队在里德堡原子系统中制备出20个原子GHZ（Greenberger-Horne-Zeilinger）态的工作（Science 365, 570-574 (2019)）。两项工作，不同的体系，数量相当，都是“薛定谔猫”态，足见学术界对这一工作的重视。此文一出，国内媒体报道如雪片般飞，我老婆第一时间微信转给我看，然后问，是不是很厉害？我当然回答很厉害啦！怎么厉害法？撸薛定谔的肥猫是什么鬼？额……这个真不好在微信回答呀！每当我真要认真回答的时候，老婆就说哎呀我要监督娃练琴了，等会再说哈，我......
老婆大人的问题，在吃瓜群众中应该比较具有代表性，这激励了我写这篇科普（我当时真的组织了半天语言准备讲的时候硬生憋回去了，着实不爽）。我国的科研水平近十余年时间里确实有飞速的发展，这一成果，不仅需要顶尖的微纳加工芯片制备工艺水平，还需要顶尖的实验设备硬件和测量水平，同时，还要求不同专长的科学家们通力合作。这一成果的合作单位包括浙江大学、中科院物理所、北京计算科学研究中心、中科院自动化所、中科大等多家科研机构，他们有的专注于芯片制备，有的专注于实验测量，有的专注于理论推演，有的专注于数值模拟......最终共同讲出了一个令世人震惊的故事：我们撸了一只比较肥的薛定谔的猫！而且老薛家的猫真的不好撸！
你们是在说我吗？我姓薛
既然是一个关于撸猫的故事，那就应该从这只猫讲起。老薛家的猫是一只诡异的猫，一只可怜的猫，一只被世人讨论近百年，还将继续讨论下去的猫。这只猫来源于量子力学创始人之一——薛定谔的一个假想实验。众所周知，薛定谔对量子力学最大的贡献是推出了著名的薛定谔方程，这一方程能够准确推导出氢原子能谱等诸多量子力学问题的解，同时又保持了传统物理学的优雅特性——一个连续的微分方程。相比之下，海森堡就不止一次抱怨大家不喜欢用他的矩阵力学——尽管后来大家发现量子力学与线性代数有着极为紧密的联系。然而，薛定谔终究是一位受传统物理学影响至深的物理学家。和爱因斯坦一样，薛定谔坚信物理学一定是描述客观实在的，一定是连续的，符合因果律的。因此，当另一位量子力学之父——玻尔邀请他去哥本哈根大学讲学，以就量子力学的解释问题交换意见时，薛定谔“从火车站就开始，然后日以继夜”地与玻尔展开辩论（薛定谔当时就住玻尔家）以至于病倒。这次的辩论对薛定谔自然造成一定的影响，他不断的思考波函数的意义，尽管他一定程度上不反对哥本哈根学派的量子力学诠释，但他终归不肯放弃物理实在性，始终无法接受波函数是一个不可观测的东西。
我是老薛，哪张最帅？手稿不算
假如我们回到薛定谔所处的年代，一定也会为一个问题感到困惑——事实上我们现在仍为这个问题感到困惑：既然在经典世界里，牛顿力学是如此的成功，而在微观世界里量子力学也同样成功，这两种力学体系是如何过渡的？为什么经典（宏观）世界里那么确定的东西，到了量子（微观）世界就变得那么不可捉摸？假如，我们不得不承认牛顿力学在经典世界是正确的，量子力学在微观世界也是正确的，那它们之间的界限在哪里？从什么时候量子的就一下变成经典的了？带着这样的问题，薛定谔构想了一个思想实验，巧妙的将微观现象与宏观物体联系在一起，这就是著名的“薛定谔的猫”实验。
在这个实验里，一只猫和一个毒气瓶、一个锤子、一个盖革计数器以及一个放射性源（比如镭）关在一个密闭的箱子里。放射性源会发生衰变——这是一个典型的量子力学过程，而盖革计数器能探测衰变放出的射线。如果我们将盖革计数器与锤子联系起来：当计数器探测到一个射线粒子时，锤子就会落下，刚好砸在毒气瓶上，那么，衰变过程就会跟猫联系起来——一旦衰变发生，毒气瓶就被打碎，猫咪就被毒死了。假如我们认为量子力学是普适的，那么整个系统总是可以用一个波函数来描述——且不管这个波函数具体是什么形式。现在我们试着来写下这个波函数：
P*|衰变前的粒子+活猫>+(1-P)*|衰变后的粒子+α粒子+死猫>
P表示衰变的概率，很抱歉这里用了狄拉克括号来表示波函数，我们可以不用管这个形式，取其意而略其形。作为一生都生活在宏观世界里的人，毫不怀疑打开这个箱子的时候要么看见一只活着的猫，要么看见一只死猫。然而，从量子力学的角度，我们总能引入另一个其他的可观测量（换一种观测形式，而不是打开箱子看）——数学上并不禁止我们这么做，这个可观测量的本征态是上面给出的波函数两种状态的线性叠加。也就是说，如果我们去观测这个“可观测量”，我们就会看到这只可怜的小猫的“僵尸”态——一只既死又活的猫！
我死了吗？这是个问题
这种僵尸态的猫显然是反直觉的。那么，是什么导致了量子的“死+活”图像向经典的“死或活”图像的突然转变呢？关于这个问题的回答，几乎涵盖了哲学的各个方面，从多世界解释到观测者的自由意志在塌缩中扮演的关键角色等等，一旦跳入这些本体论或认识论的迷思中，我们就“走火入魔”了，很多民科就是这样诞生的。
薛定谔的猫问题很难纠扯清楚，我们唯一确定的是，量子力学在解释微观世界方面“太成功”了，大量的实验结果与理论预言精确吻合——这里用了精确二字，一点不为过。这迫使我们相信，在基本原理层面上，任何系统都是遵循量子力学原理并可由量子力学描述的，经典力学只是它的一个极限情况。我们有理由相信，在一定程度上，薛定谔猫的实验中构造的波函数是正确的，这个波函数，就是所谓的“薛定谔的猫”态。
如果要给薛定谔的猫态下个定义，它是宏观数量的粒子相干态的叠加态。宏观数量自然是一个很大的数量，比如说我们眼前所见的任何物品，哪怕小到一粒PM2.5粒子，都包含了极大数量的微观粒子，20个，相对于宏观来说简直少的可怜（一滴水中包含的水分子数在1020量级），不过这是科学家在实验室内能够制备出的包含最多粒子数的薛定谔猫态了。从这个角度讲，这只薛定谔的肥猫其实不肥......
暂且不讨论20个量子比特构成的薛定谔猫态是不是够肥，我们还是讨论几句它的科学意义吧。薛定谔的猫态，特别是其中的两元猫态——GHZ态，在量子信息技术中有着重要的意义，比如量子态的瞬时传递、量子纠错码、量子计量学等（不要问我为什么，我也是从论文中抄的）；同时，由于GHZ态既是最大纠缠态，也是最为脆弱的一种量子态，它也成为衡量量子硬件系统质量的一个重要基准。我国科学家是在一个超导量子系统中完成的薛定谔猫态制备，由于超导量子比特本身是一个宏观量子比特（我准备再另起一篇专门讨论这种“宏观”量子比特），我认为其物理意义相比哈佛团队在自然原子中的结果更大——尽管其GHZ态的数量少于哈佛的里德堡原子系统，保真度也略低一些。
我们再来说说这个工作为什么能发顶刊。构造20个量子比特的薛定谔猫态需要用到20个超导量子比特和一个能将所有量子比特耦合在一起的谐振腔。在这里，我们可以把超导量子比特想象成一个“人工原子”，它像原子一样具有分立的、不等间隔的能级结构，但可以人工“剪裁”和操控。为了使得实验成功，我们首先必须保证所有的量子比特具有足够长的退相干时间——实验中用到的量子芯片平均的退相位时间在2微秒左右。制备猫态所需的操控时间则必须远远小于这个退相位时间。第二个难点在于，为了获得猫态，我们要求所有“原子”与谐振腔耦合强度是一致的，并且“原子”之间没有直接相互作用。事实上这是不可能做到的，首先即便在仿真设计阶段将所有的参数调到理想，在芯片加工过程中也不可能保证实际器件无偏差；其次，20个“原子”排列在不到指甲盖大小的区域内，芯片上的寄生电容/电感使得“原子”之间不可能无相互作用。
怎么办呢？科学家们需要巧妙设计实验。首先保真各“原子”与腔的耦合因子大致相同；然后，设法将“原子”间的直接相互作用变成次要因素（也就是说，原子之间要发生相互作用，主要是通过谐振腔进行的）。只要操作的时间足够短，由于这些非理想因素引起的相散就不明显，得到的薛定谔猫态仍能保持其相干性。我们来看看获得18个“原子”GHZ态所用的时间：187纳秒。由于参与的人工原子越多，相散的问题越严重，因此对于20个GHZ态，已经无法看到其量子特征了。不过，通过缩短时间到72纳秒，可以得到5元的薛定谔猫态，通过wigner函数的计算，可以表明这个态是“非经典”的。出于严谨考虑，这里用了“非经典”一词，因为实际上没有直接的实验证据证明这个态是量子的。
20超导量子比特的芯片结构图
最后，我再谈一点个人瞎想的感想。两个团队，顶尖的科研硬件加顶尖的科学家，在想尽办法缩短操作时间的情况下，总算得到保真度略高于0.5的多粒子纠缠态，数量仅为20。如果这个纠缠的数量增加到上百或上万会怎么样？可想而知，对参数的控制、操控时间的要求将使得实验变得几乎不可能。而现实的宏观系统包含的粒子数何止成千上万？在这种情况下，极其微弱的非线性（两种实验薛定谔猫态的制备都用到了非线性）都将导致系统迅速退化到经典状态，这就不难理解经典为什么会是经典了——因为宏观，所以经典。
回到量子系统，我们要实现“容错的、通用的”量子计算，需要的量子比特数量一定是很多的。以表面编码量子纠错方案为例，要想实现2048位的大数分解算法，需要的量子比特数量将是百万量级。这么大数量的量子比特纠缠在一起，其量子性真能保持下去吗？作为量子计算研究的从业者，我必须要保持乐观，不过，从这些瞎想中，我还是感到那么一丝悲观的。（参见笔者早前在《返朴》发表的《谈量子通信前，先看看经典保密通信安全性几何？》）
Anyway，那又如何呢？量子计算，终将是人类征服自然的一场伟大壮举，无论成败，都将是史诗级的。各位看官，敬请期待更多的“重磅”“突破性”“颠覆性”成果吧！中国的科学家，已然走在探索世界的最前沿。