近日，清华大学物理系刘永椿研究组提出了一种新的大尺度薛定谔猫态制备方法，能够在集体自旋系统中快速制备具有接近最大纠缠特性的量子态。研究成果以“Fast Generation of GHZ-like States Using Collective-Spin XYZ Model”为题发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

       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。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，它不仅具有良好的纠缠性质，还能够达到海森堡极限的测量精度，在量子信息和精密测量领域应用广泛。然而，GHZ态十分脆弱，极易受到退相干和粒子损耗的影响，使用传统的制备方法很难得到大粒子数的GHZ态。因此，寻找新的GHZ态制备方法至关重要。

       该工作首次提出一种被命名为集体自旋XYZ模型的全新模型，创新性地引入了三体相互作用。使用这一模型，能够从无纠缠的自旋相干态出发，通过一段较短时间的演化得到类GHZ态。用多粒子广义布洛赫球进行描述，制备得到的类GHZ态对应球面上中心距离最大的两团准概率分布，该量子态与标准GHZ态的准概率分布非常类似。相比于使用两体相互作用的集体自旋模型（如双轴扭曲模型），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（图1）。

图1. XYZ模型（上）与双轴扭曲模型（下）的对比。(a) 相空间轨迹。(b) 量子态的时间演化准概率分布图（用Husimi Q函数表示）。(c) t_c时刻的量子态。

       为了实现所提出的集体自旋XYZ模型，该工作提出动力学调控方法，在常见的单轴扭曲型两体相互作用基础上，通过施加调控脉冲合成出等效的XYZ模型。所需的脉冲序列如图2(a)所示，通过沿两个正交轴施加周期性的旋转脉冲，使自旋态依次沿三个坐标轴进行扭曲，利用这三段演化的不对易性，即可合成出等效的三体相互作用XYZ模型。尽管直接使用单轴扭曲相互作用也可制备GHZ态，但所需时间太长，导致演化过程退相干和粒子损耗的影响严重。而通过脉冲调控得到等效XYZ模型后，制备类GHZ态所需时间得到了极大的缩短（lnN/N量级，N为粒子数），使得能够在退相干和粒子损耗引起显著影响之前制备出所需量子态。由于该方案所需的演化时间与粒子数N成反比[图2(b)]，在粒子数很大时该方案的优势尤为显著。

图2. 产生等效XYZ模型的脉冲方案。(a) 脉冲序列示意图，红色和蓝色方框分别代表沿x轴和y轴施加的π/2脉冲。(b) 制备类GHZ态需要的时间。

       该方案制备产生的类GHZ态可用于实现量子精密测量。对系统进行宇称测量，所获得的测量精度与标准GHZ态的结果非常接近，可以达到海森堡极限的标度律（图3）。

图3. 宇称测量结果。(a) 类GHZ态（红线）与标准GHZ态（蓝线）的宇称振荡结果对比。(b) 测量精度与粒子数的标度律。红点为类GHZ态结果，蓝线表示海森堡极限。

       在噪声环境中，由于该方案所需时间很短，退相干对演化造成的影响被显著削弱。另外，用XYZ模型制备的类GHZ态在对抗粒子损耗方面也更具有优势，可以在损失多个粒子的情况下仍保留部分纠缠特性，而标准GHZ态仅仅损失一个粒子就会丢失其全部纠缠特性。这些优势使该方法能够有效应用在包含大量粒子的系统中，为大尺度量子纠缠态的制备开辟了新的道路。

       清华大学物理系刘永椿副教授为论文的通讯作者，清华大学物理系2022级博士生张轩晨与西安交通大学本科生胡知遥为论文的共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、清华大学低维量子物理国家重点实验室和量子信息前沿科学中心的资助。

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