中国科学家实现对任意噪声免疫的薛定谔猫态 推动量子通信网络建设

近日，中科大潘建伟院士及其同事陈宇翱、刘乃乐等采用光子级联编码的方式，实现了对于任意噪声都具有高容错率的薛定谔猫态，朝着实现大尺度量子网络乃至宏观纠缠态迈出了重要一步。该成果发表在最新出版的国际权威学术期刊《自然·光子学》上。

“薛定谔猫”是量子力学创始人之一埃尔温·薛定谔于1935年提出的一个假想实验，即在特殊的设定环境下，猫的生死状态取决于探测结果，未探测时处于“纠缠状态”。2012年，奥地利物理学家提出了一种级联猫态的概念，在该方案中通过将普通猫态作为一个编码逻辑单元，采用级联编码的方式组合起来，可以达到有效抵抗退相干作用的目的。

潘建伟小组发展了一套可扩展的编码方式，用两个光子比特编码一个逻辑比特，制备了一个三逻辑比特的级联猫态，通过实验观察级联猫态与普通猫态在不同噪声影响下各自的纠缠演化特性，演示了编码猫态对任意噪声免疫的显著优越性。

“薛定谔猫”实验装置示意图

薛定谔猫：量子通信的存储器

“薛定谔之猫”是奥地利物理学家埃尔文·薛定谔在1935年提出的一个理想实验，用以形象地说明量子世界所特有的“状态叠加”现象。

设想我们把一只猫放进一个不透明的盒子里，然后把这个盒子连接到一个特殊的机关，这个机关由一个放射性原子核和一个装有有毒气体组成。这个放射性原子核在一个小时内有50%的可能性发生衰变。如果发生衰变，它将会发射出一个粒子，而发射出的这个粒子将会触发机关，打开装有毒气的容器，从而杀死这只猫。根据量子力学，未进行观察时，这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态，因此盒子里的猫就处于生死叠加的状态；但是，如果我们把盒子打开进行观察，原子核的状态就被确定下来，实验者只能看到“衰变的原子核和死猫”或者“未衰变的原子核和活猫”两种情况之一。

由于这一著名的设想，多个量子态的线性叠加状态就被后人们称为“薛定谔猫态”。

量子的“状态叠加”特性是量子通信的基本原理之一。量子通信是由量子态粒子携带信息的通信方式，而正如今天的半导体存储里利用0和1两个不同的电压来存储数据一样，量子态粒子对数据的存储是靠“状态叠加”来实现的。

作为新一代通信技术，量子通信基于量子信息传输的高效和绝对安全性，成为近几年来国际科研竞争中的焦点领域之一。1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现量子信息远程传输。潘建伟回国后成为中国最年轻的院士之一，帮助中国在量子通信领域跻身全球一流水平。2012年，中国科学技术大学和安徽量子通信技术有限公司合肥城域量子通信试验示范网已投入使用。