科學家創造出有史以來最胖「薛定諤貓」

【2023年05月16日訊】(記者林達編譯報導)微觀世界遵循量子物理學規律,「薛定諤貓」則是量子力學神奇特性的一個經典例子。而量子規律從微觀過渡到宏觀的界線到底在哪裡?近日發表在《科學》雜誌上的一項研究做出了新突破。

薛定諤貓(Schrödinger’s Cat)思想實驗是這樣的:將一隻貓、一個放射性原子和一瓶劇毒毒藥放在一個盒子裡,然後蓋上蓋子封閉盒子。在某個時候,那個原子會衰變,觸發一種機制,打破毒藥瓶導致貓死亡。因為你不知道那個原子什麼時候會衰變,所以在任何特定的時刻,小瓶都可能破碎或完整——貓可能同時是活的或死的。所以在某種程度上,在你打開盒子之前,這隻貓既是活的又是死的。

現實世界中,一隻貓顯然不可能既是活的又是死的。一個生物不可能像那樣同時存在於兩種狀態中。但量子粒子的運行規則與貓不同,如果你在特殊條件下處理足夠小的物體,它確實可以同時存在於兩種狀態。不是像貓那樣的方式,而是以「實際上同時處於兩種狀態」的方式。

這種同時處於兩種狀態的令人費解的能力被稱為「疊加」(superposition),這在量子世界中並不少見。然而,不常見的是:相當大的東西也能夠保持疊加狀態。現在的問題是:當物體達到什麼大小時,量子力學的這種疊加態就不再適用了呢?

而這正是蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)一組研究人員設法實現的——「迄今為止最『胖』的量子貓」。研究人員4月20日在《科學》(Science)雜誌上發表了他們的研究結果。

該團隊並沒有完全了解貓的大小或貓的生物學特性。 「當然,在實驗室裡,我們無法用幾公斤重的真實貓來進行這樣的實驗」,該項目的首席研究員朱一文(Yiwen Chu,音譯)在一份新聞稿中說。但她的團隊確實實現了16微克的重量。這聽起來可能不是很多,但考慮到大多數「量子貓」都是單個原子或分子的大小,16微克還是相當大的重量。

實驗包含三個組成部分:「貓」、一個量子比特(Qubit)以及連接兩者的材料。 「貓」是由一種叫做振盪晶體(oscillating crystal)的東西製成的,這種晶體可以在兩種狀態之間來回切換,並隨之改變形狀。

量子比特疊加發揮作用的地方。與一次只能處於一種狀態(開或關、1 或 0)的標準二進制位不同,量子位可以同時處於這兩種狀態的組合態,從而實現疊加。同時,它還會產生電場。

最後,當振盪晶體改變形狀把「貓」連接到量子比特時,連接後的材料會產生分離的電場。而當這種電場與量子比特相互作用時,就能將同時疊加1和0的狀態轉移回「貓」,使其處於既「活著」又「死了」的狀態。一旦團隊能夠驗證「貓」同時處於明顯的兩種狀態,那實驗就成功了。

這個實驗的全部意義在於突破「量子貓」大小的界限,理解為什麼當「量子貓」大到一定尺寸時就失去了同時處於兩種狀態的能力。「這很有趣,因為它讓我們更好地理解量子效應在宏觀世界中消失的原因」,朱一文在新聞發布會上說。該研究還對量子計算領域中製造更可靠的量子比特產生影響,從而使量子計算不完全基於單個原子或分子。

也許有一天我們會知道為什麼真正的貓與量子貓的行為方式不同,但在那之前,這將是量子領域的另一個謎團。◇

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