撰文?|?一二三（量子信息專業(yè)博士后）

量子疊加、糾纏等超越日常生活經(jīng)驗的量子特性已在微觀世界得到反復(fù)的實驗確認(rèn)，在加深人們對自然規(guī)律理解的同時，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？
1935年薛定諤提出的“薛定諤的貓”——一只同時處于“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可能帶來的困惑?，F(xiàn)實中當(dāng)然沒有既死又活的貓，那么宏觀物質(zhì)怎樣體現(xiàn)量子性質(zhì)？有些人會說量子力學(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？弄清這些問題的途徑之一是：著手去造一個處于量子疊加態(tài)的宏觀物體。

//如何實現(xiàn)宏觀疊加態(tài)？//

事實上，物理學(xué)家早已成功制備出相對宏觀物質(zhì)的疊加態(tài)，實現(xiàn)傳統(tǒng)思想實驗的薛定諤貓態(tài)，需要一個經(jīng)典屬性與和一個微觀屬性糾纏。實驗思路大致如下，將兩個微觀量子特性，例如兩個原子能級、兩個自旋指向（記為上、下）等，作為薛定諤貓思想實驗中的衰變、未衰變原子；將兩個不同的宏觀特性，例如物體運動的兩種不同模式（記為a，b），作為貓的死、活；通過耦合兩種特性，可以實現(xiàn)如下演化：當(dāng)微觀為上（下）時，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”的兩個相干疊加的分支，可以觀測兩個分支的干涉確認(rèn)宏觀特性確實處于量子疊加態(tài)。
從較早的單離子運動態(tài)薛定諤貓[1]開始，一系列越來越“大”的貓被制備出來。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（根據(jù)量子力學(xué)，物體可同時處于不同空間位置），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]。在近期的一項工作中，研究人員聲稱制備出了生命體“水熊蟲”與一個超導(dǎo)量子比特的糾纏態(tài)[5]，即水熊蟲同時處于兩種不同狀態(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搞笑諾貝爾獎”。
在宏觀尺度觀察到量子疊加，不僅在實驗上難以實現(xiàn)，在理論[7]上同樣是具有爭議的話題。目前主流觀點認(rèn)為，宏觀物體與環(huán)境有更多耦合，由此帶來的退相干效應(yīng)使得宏觀疊加態(tài)難以維持。也有觀點認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)只是一個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)將會被跡動力學(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)//

在“養(yǎng)育”薛定的胖貓時，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]便是將兩個機(jī)械振子的運動模式糾纏起來，同時也實現(xiàn)了振子處于不同運動模式的疊加態(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，因為它本身就是由大量原子組成。例如研究[10]中100皮克（~1012個原子）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)識量子與經(jīng)典的邊界。
2023年4月刊登于Science的一項研究中[11]，研究人員成功地讓一個16微克（~1017個原子）的機(jī)械振子處在兩種運動狀態(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 實驗裝置原理圖。振蕩晶體可處于不同的運動模式。它與超導(dǎo)量子比特（右下）通過壓電效應(yīng)耦合起來|圖片來源：Yiwen Chu / ETH Zurich。

該項工作中，實驗裝置為互相耦合的一個高次諧波體聲波諧振器（high-overtone bulk acoustic-wave resonator, HBAR）與一個超導(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)量子比特可以同時處于上、下兩個狀態(tài)，對應(yīng)衰變、未衰變。振蕩晶體可處于不同的運動模式，例如頻率相同、相位相反的兩個振蕩模式a，b，分別表示死、活。
晶體的振蕩模式與量子比特的電場通過壓電效應(yīng)耦合起來，也就是說，量子比特的電場與晶體振蕩所產(chǎn)生的電場耦合，前者量子態(tài)的改變會對應(yīng)于晶體的運動（此時系統(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，晶體同時處于兩種不同運動模式，即實現(xiàn)一只“又死又活的貓”。特別是由于振蕩相位相反，某一時刻晶體中的原子將同時處于振蕩最高點與振蕩最低點，這也是經(jīng)典世界中見不到的現(xiàn)象。
為了驗證運動模式確實處于量子疊加態(tài)，不能直接“粗暴地”觀察晶體運動。因為這樣將以的概率得到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，對運動態(tài)進(jìn)行量子態(tài)層析，即通過分別觀測各不對易的觀測量得到系統(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是可分辨的不同運動態(tài)，也清楚地展示了由于兩分支的量子相干疊加帶來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原子的尺度，實驗依舊能夠?qū)煞N運動模式分辨出來；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）。
另外，研究人員還通過調(diào)控操控場強(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//

顯然，對于宏觀量子特性的探索是一項“無盡的前沿”。在量子力學(xué)基礎(chǔ)方面，量子測量問題一直充滿爭議，部分原因在于其中涉及到了微觀量子系統(tǒng)與測量裝置（宏觀）、周圍環(huán)境間的糾纏，研究宏觀疊加態(tài)有助于理解上述問題；同時也有助于檢驗一些超越標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)的理論。從量子技術(shù)角度看，未來實用化、大規(guī)模的量子計算機(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、對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]。

參考文獻(xiàn)

[1] Science 380, 274-278 (2023).

[2] Science 272, 1131-1136 (1996).

[3] Nature 528, 530-533 (2015).

[4] Nature 537, E1-E2 (2016).

[5] Nat. Phys. 15, 1242-1245 (2019).

[6] New J. Phys. 24, 12302 (2022).

[7] https://phys.org/news/2021-12-peers-dispute-tardigrades-entangled-qubits.html.

[8] Rev. Mod. Phys. 85, 471-527 (2013).

[9] https://physicsworld.com/a/physics-world-announces-its-finalists-for-the-2021-breakthrough-of-the-year/

[10] Science 372, 622-625 (2021).

[11] Science 372, 625-629 (2021).

[12] Phys. Rev. Lett. 119, 240401 (2017).

本文受科普中國·星空計劃項目扶持

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司