最重的薛定谔猫

即使你不是量子物理学家，也很有可能听说过著名的“薛定谔猫”。1935年，埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）在一项思想实验中，提出了这样一只既活又死的猫。

这乍听上去相当矛盾，毕竟在日常生活中，或者说在宏观世界里，我们只见过活的或者死的猫，但它却恰如其分地描述了量子力学中奇异的叠加概念，也就是两种对立的状态可以同时存在，也让一代又一代科学家都试图在实验室中实现这种类似“薛定谔猫”的状态。

许多科学家已经成功做到了这一点，比如通过使用同时位于两个地方的处于量子力学叠加态的原子或分子。现在，ETH（苏黎世联邦理工学院）的一组研究人员通过将一块小晶体置于两个振荡态的叠加之中，成功创造出了一只重得多的“薛定谔猫”。

这一成果有望带来更强大的量子比特，并揭示为什么在宏观世界没有观察到量子叠加的秘密。研究已于近日发表在《科学》上。

  盒子里的猫  

在薛定谔最初的思想实验中，一只猫被关在一个密封的金属盒子里，盒子里同时还放着一种放射性物质、一个盖革计数器和一个装有毒药的瓶子。

在一定的时间（比如一个小时）里，放射性物质中的任何一个原子可能通过量子力学的过程以一定的概率衰变。如果衰变发生，衰变产物就会让盖革计数器触发一个机关，进而砸碎装着毒药的瓶子，导致猫的死亡。

由于外部观察者在盒子被打开前无法得知原子是否真的衰变了，也不知道猫是死是活，根据支配原子衰变的量子力学，猫就处于一种活与死的叠加态。只有在盒子打开的时候，对猫进行观测才会导致量子态突然地随机变化，产生死或活的结论。

在这项实验中，猫由晶体中的振荡代表，而衰变的原子则由耦合到晶体的超导电路进行模拟。（图/Yiwen Chu, ETH Zurich）

当然，在实验室里，科学家没法用一只几千克重的猫来实现这样的实验。（以下实验没有一只猫受到伤害。）相反，在这项新研究中，团队设法用一个代表猫的振荡晶体，以及一个代表原始原子的超导电路，创造出了一个所谓的猫态。

这个电路本质上是一个量子比特，可以具有逻辑态0或1，或者两种态的叠加，也就是0+1。量子比特和晶体“猫”之间的连接不是盖革计数器和毒药，而是一层压电材料。当晶体振荡改变形状时，这种材料会产生一个电场。这个电场可以与量子比特的电场耦合，量子比特的叠加态因此便可以转移到晶体上。

也就是说，晶体现在可以同时在两个方向上振荡，比如上/下和下/上。这两个方向就代表了原本思想实验中猫的“活”或“死”。

通过将晶体的两种振荡态叠加，研究人员有效地创造了一只重达16微克的“薛定谔猫”。这大约是一粒细沙的质量，虽然它还远不及一只猫，但已经比一个原子或分子要重几十亿倍了。这也是迄今为止“最重的量子猫”。

为了使振荡态成为真正的“猫”态，关键之处在于它们在宏观上是要可以区分的。也就是说，“上”和“下”状态的空间分离，应该大于晶体内部原子位置的任何热涨落或量子涨落。

研究人员利用超导量子比特测量了两种态的空间分离，从而验证了这一点。尽管测量到的分离度只有十亿分之一米的十亿分之一，比一个原子还小，但这一数值已经大到足以清楚地区分两种态了。

  用猫态测量微小扰动  

未来，研究人员希望将这只“晶体猫”的质量极限推得更远，这有望帮助我们更好地理解，为什么量子效应会在真实的宏观世界中消失。

除了学术层面的兴趣，它在量子技术方面同样存在有潜在的应用。例如，通过使用晶体中由大量原子组成的猫态，而不是像现在这样依赖单个原子或离子，就能使存储在量子比特中的量子信息更稳定。另外，大质量物体在叠加态下对外部噪声的极端敏感性，也可以被利用来精确地测量微小的扰动，比如引力波或探测暗物质。

#创作团队：

撰文：Oliver Morsch

编译：Takeko

排版：雯雯

#参考来源：

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2023/04/fat-quantum-cats.html

#图片来源：

封面图&首图：Yiwen Chu, ETH Zurich