量子與經(jīng)典之間的界限：在室溫下制備最重的薛定諤貓

薛定諤貓是量子力學(xué)中一個著名的思想實(shí)驗(yàn)，由奧地利物理學(xué)家薛定諤在1935年提出。他想象一個裝有毒氣和放射性物質(zhì)的密閉盒子里有一只貓，如果放射性物質(zhì)衰變就會釋放毒氣殺死貓，如果沒有衰變就不會釋放毒氣。

根據(jù)量子力學(xué)，放射性物質(zhì)在沒有觀測之前既可能衰變也可能不衰變，因此處于衰變和不衰變兩種狀態(tài)的疊加。那么，貓也就處于死和活兩種狀態(tài)的疊加，只有當(dāng)我們打開盒子觀測時才能知道貓的真實(shí)狀態(tài)。這個思想實(shí)驗(yàn)揭示了量子力學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)之間的巨大差異，也引發(fā)了關(guān)于量子測量、量子詮釋和量子與經(jīng)典之間界限的深刻討論。

有些人認(rèn)為，量子力學(xué)只適用于微觀系統(tǒng)，而宏觀系統(tǒng)遵循另一套規(guī)律。有些人認(rèn)為，量子力學(xué)適用于所有系統(tǒng)，但是宏觀系統(tǒng)由于受到環(huán)境干擾而很快失去了疊加態(tài)，這個過程被稱為退相干。有些人認(rèn)為，量子力學(xué)暗示了存在多個平行宇宙，每個可能狀態(tài)都對應(yīng)一個不同的宇宙分支。

在過去幾十年里，科學(xué)家們已經(jīng)在許多不同的量子系統(tǒng)中制備了類似薛定諤貓的疊加態(tài)，例如光子、電子、原子、分子等。但是，在宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)這樣的疊加態(tài)仍然非常困難，因?yàn)楹暧^物體通常受到很多環(huán)境因素的干擾而迅速失去量子特性。為了減少退相干的影響，科學(xué)家們通常需要將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)冷卻到接近絕對零度，并且隔絕外界噪聲。即使這樣，制備出來的疊加態(tài)也往往很微弱或者很短暫。

為了探索這些問題，科學(xué)家們一直在努力制備和觀測宏觀系統(tǒng)的疊加態(tài)。最近，研究人員報道了在一個重約16微克（相當(dāng)于10^17個原子）的機(jī)械振子上實(shí)現(xiàn)了“薛定諤貓態(tài)”。他們采用了一種新穎的方法，在室溫下制備出了一個具有可見大小（直徑約0.1毫米）和可控參數(shù)（振幅、頻率、相位等）的機(jī)械振子，并將其置于一個高真空和低噪聲的環(huán)境中。

接著他們利用了一種特殊的光學(xué)裝置，將一個激光束分成兩個相互干涉的分束，形成一個駐波場。這個駐波場可以對機(jī)械振子施加一個周期性的力，使其在兩個方向上振動。通過調(diào)節(jié)激光的強(qiáng)度和相位，可以控制振子的振幅和頻率，以及兩個方向上振動的相位差。當(dāng)相位差為180度時，就相當(dāng)于振子處于兩種相反相位的振動狀態(tài)的疊加，也就是薛定諤貓態(tài)。

為了證明這一點(diǎn)，研究人員采用了一種稱為“均勻分布測量”的方法，通過另一個激光束對機(jī)械振子進(jìn)行連續(xù)測量，并記錄下測量結(jié)果的統(tǒng)計分布。如果振子處于經(jīng)典的單一狀態(tài)，那么測量結(jié)果應(yīng)該呈現(xiàn)出一個尖銳的峰值；如果振子處于量子的疊加狀態(tài)，那么測量結(jié)果應(yīng)該呈現(xiàn)出一個平坦的分布。最終他們觀察到了后者的情況，并且隨著激光強(qiáng)度的增加，分布越來越平坦，表明疊加態(tài)越來越顯著。

研究者還研究了機(jī)械振子在薛定諤貓態(tài)下的退相干動力學(xué)。他們發(fā)現(xiàn)，在室溫下，機(jī)械振子可以保持薛定諤貓態(tài)約0.1秒左右，這是目前實(shí)現(xiàn)的最長時間。他們還發(fā)現(xiàn)，退相干速率與疊加態(tài)的大小成正比，即疊加態(tài)越大（兩種狀態(tài)之間的差異越大）退相干越快。這一結(jié)果與理論預(yù)測一致，并且表明了環(huán)境噪聲對宏觀量子現(xiàn)象的影響。

這項(xiàng)研究展示了在室溫下制備和控制宏觀物體的薛定諤貓態(tài)的可能性，并且提供了一個探索量子與經(jīng)典之間界限和退相干機(jī)制的實(shí)驗(yàn)平臺。這項(xiàng)工作也可能對連續(xù)變量量子信息處理和機(jī)械振子的精密測量有潛在的應(yīng)用價值。

審核編輯 ：李倩