物理學(xué)上有四大神獸，芝諾的烏龜、拉普拉斯獸、麥克斯韋妖、薛定諤的貓。分別對應(yīng)著微積分、經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)第2定律和量子力學(xué)。

在這四大神獸中，薛定諤的貓是最神奇的。

它行走生死之間，穿越平行世界。

新生代的物理學(xué)家，都籠罩在這只貓的陰影下。

如果真的有上帝，那貓是最有競爭力的。

它既可以是一只死貓，也可以是一只活貓。

換句話來說，它處于生存與死亡的疊加狀態(tài)。

不過，根據(jù)退相干理論，它不可能永遠處于這種疊加態(tài)。由于環(huán)境影響，這種疊加狀態(tài)最多只能存續(xù)幾秒鐘。也就是說，這只貓很可憐，最多只能活短短幾秒鐘。

但現(xiàn)在，它可以活上23分鐘了！

可別小看這23分鐘，因為這意味著人類對量子力學(xué)的研究又有了重大進展。

這一切是怎么發(fā)生的呢？

這就要歸功于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團隊的一項研究。這項研究由中科大少年班學(xué)院院長盧征天教授、合肥國家實驗室研究員夏添領(lǐng)銜，其成果發(fā)表在《自然·光子學(xué)》。

1

薛定諤的貓是怎么來的？

在說明這項研究成果之前，先說說這只貓是怎么來的。

1926前，薛定諤融合愛因斯坦和德布羅意理論為一爐，創(chuàng)立了嚴謹自洽的波函數(shù)理論。他把波動力學(xué)化為了“薛定諤方程”，具有世界上獨一無二的價值。

但作為一個物理學(xué)家，薛定諤總覺得自己創(chuàng)立的這個方程有毛病。盡管所有人都認為這是一種天才創(chuàng)造，但自己怎么看都覺得詭異。

因為它與量子理論本身相抵觸，就算有愛因斯坦的安慰，薛定諤8年來還是天天夢魘，連泡妞的心思都沒有了。

薛定諤覺得這樣的日子沒辦法過下去了，得搞個實驗來論證到底是誰的錯。所以后來就有了著名的1935年“薛定諤的貓”的實驗。

這個實驗簡單地講是這樣的：

將一只貓關(guān)在一個密閉無窗的盒子里，盒子里有一些放射性物質(zhì)。一旦放射性物質(zhì)衰變，有一個裝置就會使錘子砸碎毒藥瓶，將貓毒死。反之，衰變未發(fā)生，貓便能活下來。

大名鼎鼎的“薛定諤的貓”，從此誕生。

盡管幾乎所有人認為薛定諤的貓必死無疑，可事情卻沒這么簡單。

這只貓開始嘲弄代表人類最高智慧的科學(xué)家們，它被賦予量子世界的特異功能——量子疊加。在這貓身上，宏觀世界的因果律業(yè)已坍塌，只剩下一連串的概率波。

這貓既死又活、生死疊加。

實驗從理論上證明這只貓是不生不死的，半個科學(xué)界當(dāng)時就傻眼了。

這個實驗讓科學(xué)家第一次切身感受微觀世界的神跡，從而感受另一個完全不一樣的世界。這只貓，非常明確地告訴我們：

微觀世界，它的運行規(guī)則與現(xiàn)實世界不一樣。

盡管從未見過這只行走于生死邊界的貓，但科學(xué)家們卻異口同聲地證實他們見過薛定諤之貓的幽靈。

你想象不出它活著的樣子，但它卻實際存在。有了微觀世界的真實發(fā)現(xiàn)，又有團隊謀劃著把薛定諤之貓徹底帶到宏觀世界，挑戰(zhàn)量子世界的邊界。

這只貓，正是連通這兩個世界的靈物。

如果說人在主宰宏觀世界，那么貓在守護著微觀世界的入口。微觀世界的確看不到，但我們可以從這只貓身上去追蹤和了解。

2

這只貓為何短命？

不幸的是，這只貓很短命。

短命的主要原因，是退相干效應(yīng)。

退相干是指量子系統(tǒng)與其環(huán)境之間的相互作用，使得疊加態(tài)逐漸失去相干性并變?yōu)榻?jīng)典混合態(tài)。

比如說，當(dāng)一個原子與周圍的光子、聲子或其他粒子相互作用時，這些微小的干擾會導(dǎo)致疊加狀態(tài)“塌縮”或丟失。環(huán)境中的熱噪聲、振動和電磁干擾，都會引發(fā)退相干。

想象一下，你有一杯剛剛倒好的熱咖啡，上面漂浮著一些冷的奶油。此時，咖啡和奶油是分層的，互不混合。這就像是量子系統(tǒng)中粒子處在一個穩(wěn)定的“量子疊加態(tài)”——它們同時處于多種狀態(tài)。

但是，如果你用勺子去攪拌咖啡和奶油，它們就會混合在一起，變成一種新的均勻狀態(tài)。原本分層的咖啡和奶油再也無法分開，就像量子系統(tǒng)中的“退相干效應(yīng)”。

這個過程使得量子系統(tǒng)的特殊性質(zhì)消失，變得不再神秘，也不再適合進行量子計算或測量。

薛定諤的貓，就是在這個過程中消亡的。

從薛定諤的貓延伸到量子計算，兩者利用的都是“量子疊加態(tài)”。

量子計算之前，經(jīng)典計算基礎(chǔ)的構(gòu)建要素－－Bit存在于兩種不同狀態(tài)：0或是1.這就是傳統(tǒng)計算機里最底層的世界，

雖然簡單，但它能創(chuàng)造出一個偌大的互聯(lián)網(wǎng)世界。

然而也有一個缺點，在同一時間只能處理一個Bit，計算能力受到限制。

而在量子計算中，規(guī)則改變了，一個“量子比特”不僅僅存在于傳統(tǒng)的0和1狀態(tài)中，還可以是一種兩者連續(xù)或重疊狀態(tài)。

因為量子具有不確定性，量子比特（Qubit）被描述成α0|0?+α1|1?，其中|α0|^2+|α1|^2=1。也就是說，普通計算機n比特可以描述2^n個整數(shù)之一。但n個量子比特可以同時描述2^n個復(fù)數(shù)，這也是量子計算讓人類既愛慕又恐懼的原因！

因此，科學(xué)家們努力讓量子系統(tǒng)“保持不被攪動”，以避免退相干效應(yīng)，讓它們維持量子狀態(tài)更長時間。

維持相干性，對于量子科學(xué)很重要：

①量子計算

要實現(xiàn)復(fù)雜的計算任務(wù)，量子計算機必須維持足夠長時間的相干性，以確保計算過程中的每一步都是精確且有效的。

②量子通信

在量子通信中，如量子密鑰分發(fā)（QKD），信息的安全性依賴于量子態(tài)的相干性。如果相干性被破壞，就可能導(dǎo)致信息泄露或系統(tǒng)故障。保持相干性可以確保量子信息在傳輸過程中不被環(huán)境噪聲干擾。

③量子傳感和計量

量子傳感器和計量設(shè)備，如原子鐘和重力探測器，利用量子疊加和糾纏態(tài)來實現(xiàn)高精度測量。相干性越長，這些設(shè)備的測量精度和可靠性就越高。

沒想到吧，讓這只貓活得更長一些，原來這么重要！

3

為何可以活到23分鐘了？

那么，這只來自中科大的研究團隊是如何做到讓貓活上23分鐘的呢？

量子計量學(xué)通常利用非經(jīng)典態(tài)（如薛定諤貓態(tài)和糾纏態(tài)），來超越標(biāo)準量子極限（SQL）提高測量精度。

例如：

1.里德堡原子的貓態(tài)可作為電場或磁場的靈敏探針；

2.多個粒子的糾纏態(tài)在玻色-愛因斯坦凝聚體的干涉相位測量中超越了經(jīng)典非關(guān)聯(lián)粒子態(tài)。

3.單個粒子的貓態(tài)還可以與多粒子糾纏態(tài)結(jié)合，進一步提高量子計量的精度。

然而，利用非經(jīng)典態(tài)進行測量面臨兩個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

（1）制備非經(jīng)典態(tài)通常需要非線性或非局域操作；

（2）由于這些態(tài)在環(huán)境中易受干擾，保持其相干性較為困難。

為了解決上面這兩個挑戰(zhàn)，他們利用了激光冷原子方法，制備成基于自旋的薛定諤貓態(tài)。

也就是利用光晶格囚禁自旋為5/2的鐿-173原子，通過控制激光脈沖對原子誘導(dǎo)非線性光頻移，制備出由自旋投影為+5/2與-5/2兩個態(tài)組成的疊加態(tài)。

由于這兩個態(tài)的磁量子數(shù)相距最遠，所以它們的疊加態(tài)被稱為薛定諤貓態(tài)。

這種貓態(tài)具有增強的磁場靈敏性，同時在光晶格中感受到完全相同的光頻移，處于“無消相干子空間”中，從而對光晶格的強度噪聲和光斑形貌變化具有天然的免疫性。

研究團隊通過以下具體步驟，

實現(xiàn)了長達1.4(1) ×103秒的量子相干時間：

使用退相干自由子空間

在實驗中通過構(gòu)建一個退相干自由子空間來保護量子態(tài)。該子空間使薛定諤貓態(tài)在光學(xué)晶格中對非均勻光移不敏感，避免了由環(huán)境引起的退相干效應(yīng)。

非線性自旋旋轉(zhuǎn)

使用非線性自旋旋轉(zhuǎn)來生成量子疊加態(tài)。這涉及使用σ+偏振的控制激光脈沖沿著特定方向傳播，驅(qū)動原子自旋的動態(tài)。

光學(xué)晶格的保護作用

實驗中采用了適當(dāng)?shù)摹?strong>魔術(shù)波長”來減輕光移帶來的不良影響。這種方法可以有效減少由光場引起的系統(tǒng)誤差和退相干問題。

長時間的拉姆塞干涉測量

為了驗證相干時間，作者使用拉姆塞干涉儀了進行磁場測量。

4

量子科學(xué)新的里程碑？

這會是量子科學(xué)新的里程碑嗎？

在論文中，作者還指出了在更好的真空條件下，貓態(tài)的壽命可以延長至與相干時間匹配。自旋回波技術(shù)可以應(yīng)用于貓態(tài)，以進一步減少退相干效應(yīng)。在測量外部磁場時，貓態(tài)表現(xiàn)出接近海森堡極限的靈敏度，并比相干自旋態(tài)提高了15(2) dB。

其次，通過論文中所呈現(xiàn)的實驗方法，實現(xiàn)了對自旋-F系統(tǒng)的高效初始化、操控和檢測。同時，通過利用內(nèi)在自由度對實用量子計量做出了貢獻。此外，高自旋系統(tǒng)可應(yīng)用于量子存儲，并提供量子糾錯和潛在量子位編碼所需的冗余，用于量子計算。

作者表示，具有J = 0的基態(tài)和I = 1/2的核自旋的原子，通常被認為是自旋傳感器的理想候選者。

可用的選擇包括3He、129Xe、171Yb和199Hg，這些元素中沒有自旋-1/2的同位素對。

通過這項工作，高自旋同位素現(xiàn)在可以加入候選池，171Yb/173Yb只是適用于開發(fā)雙物種冷原子共磁力計的同位素對之一。

在這次實驗中，該研究有以下創(chuàng)新點：

1.退相干自由子空間的應(yīng)用

使貓態(tài)免受由光場引起的非均勻光移的退相干影響。

2.高維Hilbert空間利用

借助于173Yb的高自旋特性，能夠利用豐富的Hilbert空間來實現(xiàn)更長的相干時間和增強的靈敏度。

3.非線性操作的有效實現(xiàn)

通過合理選擇激光頻率和功率，能夠在實驗中穩(wěn)定生成和操控薛定諤貓態(tài)。

也許，這真的就是量子科學(xué)一個新的里程碑。

量子技術(shù)，很有可能成為下一輪科技革命的源動力。

走向更高維度的世界

日本作家夏目漱石有一本書叫《我是貓》。

這只貓說的第一句話是：

我不了解是什么力量在推動地球的旋轉(zhuǎn)，但我知道推動整個社會運轉(zhuǎn)的力量是金錢。

它清高孤傲，睥睨寰宇，貓眼看世界，完全是一種上帝視角。

貓?zhí)焐哂凶屓恕熬次贰钡臍赓|(zhì)，它的路線詭異，不可捉摸，你永遠不知道它半夜去了哪里。當(dāng)你偶爾在黑夜里捕捉到它的行蹤，它回頭對你的冷眼一瞥，讓人不寒而栗。

在那個神秘莫測的微觀世界里，那個號稱高維世界的投影，人類的唯一領(lǐng)路人就是這只貓。然而，薛定諤的這只貓并不想讓人類窺視更深邃的微觀世界。盡管在科學(xué)家眼中，那可能是通往更高維度的大門。

這只貓通過與哥本哈根派的聯(lián)盟，站在了薛定諤和愛因斯坦的反對面。試圖阻擋大統(tǒng)一理論的到來，掐斷了人類通向高維世界的唯一線索。

這只貓傲慢地說：

愚蠢的人類，你們并不屬于這里，快回到你們的低維度世界去！

不生不死的貓已經(jīng)夠厲害了。通往微觀世界的神獸也夠生猛。

但穿越多重世界的貓，這才是真正接近“上帝”般的存在。在人類已知的所有理論里，能夠穿越多重世界的只有這只貓，這就是接近神一般的存在。

今天，來自中國科學(xué)家的研究成果，讓這只貓得以存活更久。這在現(xiàn)實的應(yīng)用方面，將為原子磁力計、量子信息糾錯以及探索新物理等開辟出新途徑。

而在更宏觀的發(fā)展方向上，則讓人類對微觀世界的探索又往前邁進一大步。未來的科學(xué)探索將不僅限于物質(zhì)世界，更將擴展到更深層次的量子世界中。

由物理學(xué)家所引領(lǐng)的人類，也將走向更高維度的世界。