清华大学提出大尺度薛定谔猫态制备新方法：量子计算机研发重大利好

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薛定谔猫态一般指两种不同宏观状态的量子叠加态，其研究对理解宏观尺度量子效应具有重要意义，在量子信息处理与量子精密测量中，多粒子最大纠缠态（Greenberger-Horne-Zeilinger态，简称GHZ态）是一种典型的薛定谔猫态。然而，在实际物理系统中利用单轴扭转相互作用（OAT）来生成原子GHZ态的传统方法需要较长的时间演化，并且受制于退相干和粒子损失的影响。因此，寻找新的GHZ态制备方法至关重要‍

就在这几天，清华大学联合西安交通大学研究团队在世界物理学顶级期刊PRL（物理快报评论）发表文章提出了一种创新方案，通过应用Floquet驱动技术改造原始OAT哈密顿量，构建出一个能够迅速生成GHZ类似态的三体集体自旋XYZ模型

模型实现及解释

该XYZ模型能够在极短的时间尺度上，即χt ∼ ln N/N内为N个粒子创建出GHZ相似态，这相较于理想GHZ态所需的演化时间大大缩短，尤其对于大量粒子的情形，其优越性尤为显著。实验结果显示，由XYZ模型产生的GHZ类似态在量子精密测量中展现出海森堡极限精度，即使在面对退相干及粒子丢失问题时，其性能表现也比理想GHZ态更为稳健。XYZ模型具有更丰富的相空间结构，保证了演化过程自旋态的分布可以近似“停留”在球面上距离最大的两个端点附近（如图）

研究人员指出，通过对OAT哈密顿量添加一个转动项∝ Jx，可在较短时间内获得多粒子纠缠态，尽管这种态在Fock空间基底上的概率分布与理想GHZ态有所不同。而提出的XYZ模型则通过集体自旋间的相互作用实现更高效的GHZ态生成，从而开辟了在宏观量子效应研究及大规模量子信息和量子精密测量应用中制备大量粒子数GHZ类似态的新途径‍

理论计算和模拟数据显示，初始的相干自旋状态在XYZ模型哈密顿量HXYZ= 2χXYZ(JxJyJz+ JzJyJx)/N的作用下，能在短时间内沿着Bloch球赤道方向拉伸并分裂成两个集中于(0,1,0)和(0,-1,0)点附近的叠加态，形成高度纠缠的GHZ类似态。这个过程类似于熟知的双轴扭转(TAT)模型，但XYZ模型在抵抗环境噪声导致的退相干及粒子损失方面表现出更强的鲁棒性

利好量子计算机研发‍‍‍‍‍‍‍‍‍

对于量子计算机而言，这项研究提出的快速生成GHZ类似态的方法具有重要意义。GHZ态作为一种关键的量子资源，在量子信息处理中扮演着重要角色，特别是在实现量子纠错编码、量子隐形传态和量子计算中的并行性优势等方面。而高效且鲁棒地制备大规模GHZ态对于构建可扩展的量子计算机至关重要‍

传统的OAT模型在产生GHZ态时需要较长的演化时间，这与量子比特的相干性和稳定性要求相矛盾，因为实际系统会受到退相干和粒子损失等噪声的影响，从而降低量子态的质量和可用性。然而，本研究提出的集体自旋XYZ模型及其利用Floquet驱动技术改进了这一问题，能在更短的时间内（仅为χt ∼ ln N/N）创建出具有高度纠缠性质且在精密测量中表现接近海森堡极限精度的GHZ类似态‍

这意味着基于该方法，可以更快地构建和维持大尺度GHZ态，这对于发展容错量子计算和实施高精度量子算法提供了可能，同时增强了对噪声环境下的抗干扰能力。因此，这一研究不仅推进了量子信息科学领域的理论发展，也为实际设计和优化量子计算机硬件方案带来了实质性贡献

结语

清华刘永椿为论文的通讯作者，清华大学物理系2022级博士生张轩晨与西安交通大学2020级本科生胡知遥为论文的共同第一作者‍‍

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.113402

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