如何實(shí)現(xiàn)宏觀疊加態(tài)？

將薛定諤的貓這一著名的思想實(shí)現(xiàn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)宏觀的量子疊加態(tài)，可以讓我們更深刻地理解微觀世界與宏觀世界的邊界。

量子疊加、糾纏等超越日常生活經(jīng)驗(yàn)的量子特性已在微觀世界得到反復(fù)的實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，在加深人們對(duì)自然規(guī)律理解的同時(shí)，也已成為量子信息技術(shù)的基礎(chǔ)。然而為何這些現(xiàn)象難以在宏觀世界觀測(cè)？

1935年薛定諤提出的“薛定諤的貓”——一只同時(shí)處于“死”與“活”的“量子貓“，很好地反映了將量子特性推廣至宏觀物體時(shí)可能帶來(lái)的困惑?，F(xiàn)實(shí)中當(dāng)然沒(méi)有既死又活的貓，那么宏觀物質(zhì)怎樣體現(xiàn)量子性質(zhì)？有些人會(huì)說(shuō)量子力學(xué)不適用于宏觀物質(zhì)，那么宏觀世界與微觀世界的邊界又在哪里？弄清這些問(wèn)題的途徑之一是：著手去造一個(gè)處于量子疊加態(tài)的宏觀物體。

// 如何實(shí)現(xiàn)宏觀疊加態(tài)？

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事實(shí)上，物理學(xué)家早已成功制備出相對(duì)宏觀物質(zhì)的疊加態(tài)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)思想實(shí)驗(yàn)的薛定諤貓態(tài)，需要一個(gè)經(jīng)典屬性與和一個(gè)微觀屬性糾纏。實(shí)驗(yàn)思路大致如下，將兩個(gè)微觀量子特性，例如兩個(gè)原子能級(jí)、兩個(gè)自旋指向（記為上、下）等，作為薛定諤貓思想實(shí)驗(yàn)中的衰變、未衰變?cè)樱粚蓚€(gè)不同的宏觀特性，例如物體運(yùn)動(dòng)的兩種不同模式（記為a，b），作為貓的死、活；通過(guò)耦合兩種特性，可以實(shí)現(xiàn)如下演化：當(dāng)微觀為上（下）時(shí)，宏觀為a（b）。根據(jù)薛定諤方程，如果將微觀特性制備為上與下的量子疊加態(tài)，那么演化將好似在兩個(gè)分支中并行進(jìn)行（這樣形象的比喻類似于多世界詮釋，但我們并不真正清楚演化是如何發(fā)生的），最終形成“上a”與“下b”的兩個(gè)相干疊加的分支，可以觀測(cè)兩個(gè)分支的干涉確認(rèn)宏觀特性確實(shí)處于量子疊加態(tài)。

從較早的單離子運(yùn)動(dòng)態(tài)薛定諤貓［1］開始，一系列越來(lái)越“大”的貓被制備出來(lái)。這里“大”有兩方面含義，一是指宏觀特性的分離尺度大。例如宏觀特性為空間位置時(shí)（根據(jù)量子力學(xué)，物體可同時(shí)處于不同空間位置），兩分支的空間距離大。近期的研究已利用冷原子制備了分離達(dá)半米的疊加態(tài)［2］，但該研究尚有爭(zhēng)議［3］。另一方面，是指宏觀特性的物質(zhì)載體的質(zhì)量大（戲稱為薛定諤的胖貓），例如原子團(tuán)、大分子的空間疊加態(tài)［4］。在近期的一項(xiàng)工作中，研究人員聲稱制備出了生命體“水熊蟲”與一個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏態(tài)［5］，即水熊蟲同時(shí)處于兩種不同狀態(tài)的宏觀疊加態(tài)。當(dāng)然這一結(jié)果也受到了多方質(zhì)疑［6］，也有人稱“很有希望獲得下一個(gè)搞笑諾貝爾獎(jiǎng)”。

在宏觀尺度觀察到量子疊加，不僅在實(shí)驗(yàn)上難以實(shí)現(xiàn)，在理論［7］上同樣是具有爭(zhēng)議的話題。目前主流觀點(diǎn)認(rèn)為，宏觀物體與環(huán)境有更多耦合，由此帶來(lái)的退相干效應(yīng)使得宏觀疊加態(tài)難以維持。也有觀點(diǎn)認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)只是一個(gè)更一般深刻理論的近似，在宏觀尺度下不再適用，而宏觀疊加態(tài)將會(huì)被跡動(dòng)力學(xué)（Trace dynamics）或引力坍縮等假想效應(yīng)破壞。至少目前，學(xué)界認(rèn)為把薛定諤的貓“做大做胖”有助于探索這些未知領(lǐng)域。

// 宏觀機(jī)械振子的薛定諤貓態(tài)

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在“養(yǎng)育”薛定的胖貓時(shí)，一些物理學(xué)家另辟蹊徑，使用了機(jī)械振子（Mechanical oscillatror）。2021年P(guān)hysics World十大突破之一［8-10］便是將兩個(gè)機(jī)械振子的運(yùn)動(dòng)模式糾纏起來(lái)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了振子處于不同運(yùn)動(dòng)模式的疊加態(tài)。不同于原子、電子等微觀粒子，機(jī)械振子更接近宏觀物體，因?yàn)樗旧砭褪怯纱罅吭咏M成。例如研究［10］中100皮克（~1012個(gè)原子）的振子。研究這類物體的量子性質(zhì)更有希望進(jìn)一步認(rèn)識(shí)量子與經(jīng)典的邊界。

2023年4月刊登于Science的一項(xiàng)研究中［11］，研究人員成功地讓一個(gè)16微克（~1017個(gè)原子）的機(jī)械振子處在兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子疊加中，這是目前制備出的最“胖”的薛定諤的貓。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖。振蕩晶體可處于不同的運(yùn)動(dòng)模式。它與超導(dǎo)量子比特（右下）通過(guò)壓電效應(yīng)耦合起來(lái)|圖片來(lái)源：Yiwen Chu / ETH Zurich。

該項(xiàng)工作中，實(shí)驗(yàn)裝置為互相耦合的一個(gè)高次諧波體聲波諧振器（high-overtone bulk acoustic-wave resonator， HBAR）與一個(gè)超導(dǎo)量子比特。振蕩晶體代表宏觀的貓，衰變超導(dǎo)量子比特代表衰變的原子。超導(dǎo)量子比特可以同時(shí)處于上、下兩個(gè)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)衰變、未衰變。振蕩晶體可處于不同的運(yùn)動(dòng)模式，例如頻率相同、相位相反的兩個(gè)振蕩模式a，b，分別表示死、活。

晶體的振蕩模式與量子比特的電場(chǎng)通過(guò)壓電效應(yīng)耦合起來(lái)，也就是說(shuō)，量子比特的電場(chǎng)與晶體振蕩所產(chǎn)生的電場(chǎng)耦合，前者量子態(tài)的改變會(huì)對(duì)應(yīng)于晶體的運(yùn)動(dòng)（此時(shí)系統(tǒng)可由描述量子比特與聲子耦合的Jaynes-Cummings模型刻畫。）于是上、下的量子疊態(tài)加被映射到晶體的a，b振蕩模式的量子疊加，晶體同時(shí)處于兩種不同運(yùn)動(dòng)模式，即實(shí)現(xiàn)一只“又死又活的貓”。特別是由于振蕩相位相反，某一時(shí)刻晶體中的原子將同時(shí)處于振蕩最高點(diǎn)與振蕩最低點(diǎn)，這也是經(jīng)典世界中見(jiàn)不到的現(xiàn)象。

為了驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)模式確實(shí)處于量子疊加態(tài)，不能直接“粗暴地”觀察晶體運(yùn)動(dòng)。因?yàn)檫@樣將以的概率得到a或b模式，不能判斷究竟是處于a， b量子疊加，還是“有幾次a，有幾次b”的經(jīng)典混態(tài)。研究人員采用量子信息中的標(biāo)準(zhǔn)方法，對(duì)運(yùn)動(dòng)態(tài)進(jìn)行量子態(tài)層析，即通過(guò)分別觀測(cè)各不對(duì)易的觀測(cè)量得到系統(tǒng)量子態(tài)的全部信息。結(jié)果不僅表明疊加態(tài)兩分支a，b是可分辨的不同運(yùn)動(dòng)態(tài)，也清楚地展示了由于兩分支的量子相干疊加帶來(lái)的相空間中干涉條紋。最終確認(rèn)，被制備于薛定諤貓態(tài)的原子總質(zhì)量約16.2微克，最大空間分離尺度約為2.1×10-18米。盡管該分離已小于一個(gè)原子的尺度，實(shí)驗(yàn)依舊能夠?qū)煞N運(yùn)動(dòng)模式分辨出來(lái)；而宏觀體現(xiàn)在處于疊加態(tài)的物體質(zhì)量大（達(dá)到微克量級(jí)）。

另外，研究人員還通過(guò)調(diào)控操控場(chǎng)強(qiáng)度等方法，制備了一系列分離尺度不同的貓態(tài)，并且研究了它們的退相干行為。結(jié)果表明退相干速率隨著尺度的增加而增加，與理論預(yù)期相符。

// 一些展望

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顯然，對(duì)于宏觀量子特性的探索是一項(xiàng)“無(wú)盡的前沿”。在量子力學(xué)基礎(chǔ)方面，量子測(cè)量問(wèn)題一直充滿爭(zhēng)議，部分原因在于其中涉及到了微觀量子系統(tǒng)與測(cè)量裝置（宏觀）、周圍環(huán)境間的糾纏，研究宏觀疊加態(tài)有助于理解上述問(wèn)題；同時(shí)也有助于檢驗(yàn)一些超越標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)的理論。從量子技術(shù)角度看，未來(lái)實(shí)用化、大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)需要大量量子比特處于可控量子態(tài)，宏觀量子性的研究有望為此提供參考。同時(shí)類似的宏觀量子態(tài)有望應(yīng)用于連續(xù)變量量子信息處理、量子糾錯(cuò)、對(duì)引力波的量子傳感等領(lǐng)域。隨著該方向的進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)有望制備質(zhì)量、空間分離都較大的宏觀疊加態(tài)，這將有助于探索以引力為媒介的糾纏等量子引力現(xiàn)象［12］。

審核編輯 ：李倩