Science：宏观的量子叠加？科学家实现最重的“薛定谔猫”

mango524 2023-4-23 225人围观技术

即使不是物理学专家，也很可能听说过“薛定谔的猫”。

薛定谔的猫同时是“活着”/“死去”——它的命运只有在检查后才能揭示，这个思想实验指出了当时量子力学解释的荒谬性。然而，由于这种叠加态现在已经在许多不同的量子系统中频频出现；现在，问题来了：经典世界的“薛定谔猫”在哪里？

在4月20日的《科学》杂志上，苏黎世联邦理工学院 (ETH) 固体物理实验室教授Yiwen Chu领导的一组研究人员通过将一个小晶体置于两个振荡状态的叠加态中，创造了一个“更宏观的薛定谔猫”。

他们的研究结果可能会导致更强大的量子比特，并揭示为什么在宏观世界中没有观察到量子叠加态的奥秘。

对于为什么我们可能永远不会遇到薛定谔猫这种不幸的情况，人们提出了许多解释：宏观物体可能只是过于复杂，受到太多退相干来源的影响，无法维持经典的、不同状态的叠加。其他主要例子包括海森堡限制的参数估计协议和错误保护的量子信息处理。

当然，也已经有许多薛定谔“猫态”的实验证明。其中包括捕获离子的内部自由度和运动自由度的叠加、电磁波在光学和微波领域的相位空间叠加、超导量子干涉装置的电流叠加、原子云和大分子的空间叠加等等。

“当然，在实验室里，我们无法用一只重达几公斤的真猫实现这样的实验，”Chu表示。相反，她们团队设法使用代表猫的振荡晶体和代表原始原子的超导电路创造了“猫态”。该电路本质上是一个量子比特或量子比特，可以采用逻辑状态“0”或“1”或两种状态的叠加“0+1”。

猫由晶体中的振荡（顶部和左侧放大图）表示，而衰变原子由耦合到晶体的超导电路（底部）模拟

此次实验中，团队在固态机械谐振器的运动自由度中制备了猫态。鉴于在以前的工作中发现的各种定义，团队将谐波振荡器的猫态定义为两个/多个具有良好分离的相位空间分布的状态的相干叠加。

实验设备（称之为ℏBAR）

猫态的振幅和相位控制

猫态的退相干性

未来，实验团队希望进一步推动猫态的质量极限。

“目前，我们可以制备的猫态的最大尺寸受限于设备参数，包括量子比特和声子退相干率；后者尤其重要，因为一般来说，猫态的退相干率与猫态大小的平方成正比。此外，对量子比特和声子共振器特性的额外改进将使替代的猫态生成协议在原则上可以导致具有更高保真度的状态。”

除了这种相当学术性的兴趣之外，这一突破在量子技术方面也有潜在的应用。

例如，通过使用晶体中由大量原子组成的猫态（而不是像目前这样依靠单个原子或离子），可以使存储在量子比特中的量子信息更加稳定。另外，大质量物体在叠加状态下对外部噪声的极端敏感性可以被利用来精确测量微小的干扰，如引力波或探测暗物质。

参考链接：

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf7553

[2]https://phys.org/news/2023-04-heaviest-schrdinger-cat-small-crystal.html

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原作者: 光子盒 | 光子盒研究院

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