近日，新南威尔士大学(UNSW)的物理学家团队在量子科学领域取得重大突破，他们首次成功创建并操纵了单个大型核自旋的量子叠加态，这一状态与著名的“薛定谔的猫”思想实验中的叠加态相似，对于量子信息处理和量子误差校正具有潜在的重要意义。

从左到右依次为新南威尔士大学研究人员 Benjamin Wilhelm、Xi Yu、Andrea Morello 和 Danielle Holmes。(图片来源：新南威尔士大学悉尼分校)

薛定谔的猫态，指的是量子系统中两种截然不同的状态的叠加。在UNSW的研究中，物理学家们利用锑原子这一具有较大核自旋的重原子，成功实现了猫态的创建和操纵。锑原子的高自旋值意味着其核自旋可以处于对应于八个不同方向的自旋状态，这使得它成为一个高维量子系统，对量子信息处理尤为有价值。

研究论文的首席作者Xi Yu解释说，传统的量子比特仅用两种量子态来描述，即“0”和“1”状态。然而，这种系统很容易受到逻辑错误的影响，当0变为1或反之亦然时，信息就会丢失。而使用类似锑原子这样的高自旋系统创建量子比特，可以降低发生逻辑错误的可能性。因为即使发生单一错误，也还有七个量子态可供选择，需要连续发生七个错误才能彻底改变量子信息。

团队负责人Andrea Morello表示，虽然研究团队最初并非旨在制造和操纵猫态，而是在研究高自旋原子核的过程中偶然发现了这一成果。他们原本对观察单个核自旋中的量子混沌感兴趣，但随后意识到高自旋系统在量子信息和量子纠错码中的潜在应用。

在研究中，团队面临的主要挑战是设置七个必须精确同步的“时钟”，以便跟踪八级系统的量子态。直到最近，这还需要对波形发生器进行繁琐的编程。然而，随着专为量子应用量身定制的现场可编程门阵列(FPGA)发生器的出现，研究变得更加容易进行。

Morello指出，将猫态寄宿在硅芯片中意味着这项技术可以采用与当今计算机芯片行业类似的方法进行长期扩大。他展望说，想象一个硅中的量子处理器，包含数百万个这样的薛定谔猫态，这非常令人兴奋且合理。

展望未来，UNSW团队计划在其锑系统中展示量子纠错，并努力将锑原子与光刻量子点集成，以促进系统的可扩展性，并在猫态编码量子比特之间执行量子逻辑运算。

本研究的详细内容已刊登于《自然物理学》杂志上。