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科学家创造出有史以来最胖“薛定谔猫”

2023-5-15 未解之谜网

同时处于生与死的叠加态的薛定谔猫示意图。

微观世界遵循量子物理学规律,“薛定谔猫”则是量子力学神奇特性的一个经典例子。而量子规律从微观过渡到宏观的界线到底在哪里?近日发表在《科学》杂志上的一项研究做出了新突破。

薛定谔猫(Schrödinger’s Cat)思想实验是这样的:将一只猫、一个放射性原子和一瓶剧毒毒药放在一个盒子里,然后盖上盖子封闭盒子。在某个时候,那个原子会衰变,触发一种机制,打破毒药瓶导致猫死亡。因为你不知道那个原子什么时候会衰变,所以在任何特定的时刻,小瓶都可能破碎或完整——猫可能同时是活的或死的。所以在某种程度上,在你打开盒子之前,这只猫既是活的又是死的。

现实世界中,一只猫显然不可能既是活的又是死的。一个生物不可能像那样同时存在于两种状态中。但量子粒子的运行规则与猫不同,如果你在特殊条件下处理足够小的物体,它确实可以同时存在于两种状态。不是像猫那样的方式,而是以“实际上同时处于两种状态”的方式。

这种同时处于两种状态的令人费解的能力被称为“叠加”(superposition),这在量子世界中并不少见。然而,不常见的是:相当大的东西也能够保持叠加状态。现在的问题是:当物体达到什么大小时,量子力学的这种叠加态就不再适用了呢?

而这正是苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)一组研究人员设法实现的——“迄今为止最‘胖’的量子猫”。研究人员4月20日在《科学》(Science)杂志上发表了他们的研究结果。

该团队并没有完全了解猫的大小或猫的生物学特性。 “当然,在实验室里,我们无法用几公斤重的真实猫来进行这样的实验”,该项目的首席研究员朱一文(Yiwen Chu,音译)在一份新闻稿中说。但她的团队确实实现了16微克的重量。这听起来可能不是很多,但考虑到大多数“量子猫”都是单个原子或分子的大小,16微克还是相当大的重量。

实验包含三个组成部分:“猫”、一个量子比特(Qubit)以及连接两者的材料。 “猫”是由一种叫做振荡晶体(oscillating crystal)的东西制成的,这种晶体可以在两种状态之间来回切换,并随之改变形状。

量子比特是叠加发挥作用的地方。与一次只能处于一种状态(开或关、1 或 0)的标准二进制位不同,量子位可以同时处于这两种状态的组合态,从而实现叠加。同时,它还会产生电场。

最后,当振荡晶体改变形状把“猫”连接到量子比特时,连接后的材料会产生分离的电场。而当这种电场与量子比特相互作用时,就能将同时叠加1和0的状态转移回“猫”,使其处于既“活着”又“死了”的状态。一旦团队能够验证“猫”同时处于明显的两种状态,那实验就成功了。

这个实验的全部意义在于突破“量子猫”大小的界限,理解为什么当“量子猫”大到一定尺寸时就失去了同时处于两种状态的能力。“这很有趣,因为它让我们更好地理解量子效应在宏观世界中消失的原因”,朱一文在新闻发布会上说。该研究还对量子计算领域中制造更可靠的量子比特产生影响,从而使量子计算不完全基于单个原子或分子。

也许有一天我们会知道为什么真正的猫与量子猫的行为方式不同,但在那之前,这将是量子领域的另一个谜团。


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