薛定谔的猫，竟然活了23.3333······分钟

物理学上有四大神兽，芝诺的乌龟、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖、薛定谔的猫。分别对应着微积分、经典力学、热力学第2定律和量子力学。

在这四大神兽中，薛定谔的猫是最神奇的。

它行走生死之间，穿越平行世界。

新生代的物理学家，都笼罩在这只猫的阴影下。

如果真的有上帝，那猫是最有竞争力的。

它既可以是一只死猫，也可以是一只活猫。

换句话来说，它处于生存与死亡的叠加状态。

不过，根据退相干理论，它不可能永远处于这种叠加态。由于环境影响，这种叠加状态最多只能存续几秒钟。也就是说，这只猫很可怜，最多只能活短短几秒钟。

但现在，它可以活上23分钟了！

可别小看这23分钟，因为这意味着人类对量子力学的研究又有了重大进展。

这一切是怎么发生的呢？

这就要归功于中国科学技术大学科研团队的一项研究。这项研究由中科大少年班学院院长卢征天教授、合肥国家实验室研究员夏添领衔，其成果发表在《自然·光子学》。

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薛定谔的猫是怎么来的？

在说明这项研究成果之前，先说说这只猫是怎么来的。

1926前，薛定谔融合爱因斯坦和德布罗意理论为一炉，创立了严谨自洽的波函数理论。他把波动力学化为了“薛定谔方程”，具有世界上独一无二的价值。

但作为一个物理学家，薛定谔总觉得自己创立的这个方程有毛病。尽管所有人都认为这是一种天才创造，但自己怎么看都觉得诡异。

因为它与量子理论本身相抵触，就算有爱因斯坦的安慰，薛定谔8年来还是天天梦魇，连泡妞的心思都没有了。

薛定谔觉得这样的日子没办法过下去了，得搞个实验来论证到底是谁的错。所以后来就有了著名的1935年“薛定谔的猫”的实验。

这个实验简单地讲是这样的：

将一只猫关在一个密闭无窗的盒子里，盒子里有一些放射性物质。一旦放射性物质衰变，有一个装置就会使锤子砸碎毒药瓶，将猫毒死。反之，衰变未发生，猫便能活下来。

大名鼎鼎的“薛定谔的猫”，从此诞生。

尽管几乎所有人认为薛定谔的猫必死无疑，可事情却没这么简单。

这只猫开始嘲弄代表人类最高智慧的科学家们，它被赋予量子世界的特异功能——量子叠加。在这猫身上，宏观世界的因果律业已坍塌，只剩下一连串的概率波。

这猫既死又活、生死叠加。

实验从理论上证明这只猫是不生不死的，半个科学界当时就傻眼了。

这个实验让科学家第一次切身感受微观世界的神迹，从而感受另一个完全不一样的世界。这只猫，非常明确地告诉我们：

微观世界，它的运行规则与现实世界不一样。

尽管从未见过这只行走于生死边界的猫，但科学家们却异口同声地证实他们见过薛定谔之猫的幽灵。

你想象不出它活着的样子，但它却实际存在。有了微观世界的真实发现，又有团队谋划着把薛定谔之猫彻底带到宏观世界，挑战量子世界的边界。

这只猫，正是连通这两个世界的灵物。

如果说人在主宰宏观世界，那么猫在守护着微观世界的入口。微观世界的确看不到，但我们可以从这只猫身上去追踪和了解。

2

这只猫为何短命？

不幸的是，这只猫很短命。

短命的主要原因，是退相干效应。

退相干是指量子系统与其环境之间的相互作用，使得叠加态逐渐失去相干性并变为经典混合态。

比如说，当一个原子与周围的光子、声子或其他粒子相互作用时，这些微小的干扰会导致叠加状态“塌缩”或丢失。环境中的热噪声、振动和电磁干扰，都会引发退相干。

想象一下，你有一杯刚刚倒好的热咖啡，上面漂浮着一些冷的奶油。此时，咖啡和奶油是分层的，互不混合。这就像是量子系统中粒子处在一个稳定的“量子叠加态”——它们同时处于多种状态。

但是，如果你用勺子去搅拌咖啡和奶油，它们就会混合在一起，变成一种新的均匀状态。原本分层的咖啡和奶油再也无法分开，就像量子系统中的“退相干效应”。

这个过程使得量子系统的特殊性质消失，变得不再神秘，也不再适合进行量子计算或测量。

薛定谔的猫，就是在这个过程中消亡的。

从薛定谔的猫延伸到量子计算，两者利用的都是“量子叠加态”。

量子计算之前，经典计算基础的构建要素－－Bit存在于两种不同状态：0或是1.这就是传统计算机里最底层的世界，

虽然简单，但它能创造出一个偌大的互联网世界。

然而也有一个缺点，在同一时间只能处理一个Bit，计算能力受到限制。

而在量子计算中，规则改变了，一个“量子比特”不仅仅存在于传统的0和1状态中，还可以是一种两者连续或重叠状态。

因为量子具有不确定性，量子比特（Qubit）被描述成α0|0⟩+α1|1⟩，其中|α0|^2+|α1|^2=1。也就是说，普通计算机n比特可以描述2^n个整数之一。但n个量子比特可以同时描述2^n个复数，这也是量子计算让人类既爱慕又恐惧的原因！

因此，科学家们努力让量子系统“保持不被搅动”，以避免退相干效应，让它们维持量子状态更长时间。

维持相干性，对于量子科学很重要：

①量子计算

要实现复杂的计算任务，量子计算机必须维持足够长时间的相干性，以确保计算过程中的每一步都是精确且有效的。

②量子通信

在量子通信中，如量子密钥分发（QKD），信息的安全性依赖于量子态的相干性。如果相干性被破坏，就可能导致信息泄露或系统故障。保持相干性可以确保量子信息在传输过程中不被环境噪声干扰。

③量子传感和计量

量子传感器和计量设备，如原子钟和重力探测器，利用量子叠加和纠缠态来实现高精度测量。相干性越长，这些设备的测量精度和可靠性就越高。

没想到吧，让这只猫活得更长一些，原来这么重要！

3

为何可以活到23分钟了？

那么，这只来自中科大的研究团队是如何做到让猫活上23分钟的呢？

量子计量学通常利用非经典态（如薛定谔猫态和纠缠态），来超越标准量子极限（SQL）提高测量精度。

例如：

1.里德堡原子的猫态可作为电场或磁场的灵敏探针；

2.多个粒子的纠缠态在玻色-爱因斯坦凝聚体的干涉相位测量中超越了经典非关联粒子态。

3.单个粒子的猫态还可以与多粒子纠缠态结合，进一步提高量子计量的精度。

然而，利用非经典态进行测量面临两个关键挑战：

（1）制备非经典态通常需要非线性或非局域操作；

（2）由于这些态在环境中易受干扰，保持其相干性较为困难。

为了解决上面这两个挑战，他们利用了激光冷原子方法，制备成基于自旋的薛定谔猫态。

也就是利用光晶格囚禁自旋为5/2的镱-173原子，通过控制激光脉冲对原子诱导非线性光频移，制备出由自旋投影为+5/2与-5/2两个态组成的叠加态。

由于这两个态的磁量子数相距最远，所以它们的叠加态被称为薛定谔猫态。

这种猫态具有增强的磁场灵敏性，同时在光晶格中感受到完全相同的光频移，处于“无消相干子空间”中，从而对光晶格的强度噪声和光斑形貌变化具有天然的免疫性。

研究团队通过以下具体步骤，

实现了长达1.4(1) ×10³秒的量子相干时间：

使用退相干自由子空间

在实验中通过构建一个退相干自由子空间来保护量子态。该子空间使薛定谔猫态在光学晶格中对非均匀光移不敏感，避免了由环境引起的退相干效应。

非线性自旋旋转

使用非线性自旋旋转来生成量子叠加态。这涉及使用σ+偏振的控制激光脉冲沿着特定方向传播，驱动原子自旋的动态。

光学晶格的保护作用

实验中采用了适当的“魔术波长”来减轻光移带来的不良影响。这种方法可以有效减少由光场引起的系统误差和退相干问题。

长时间的拉姆塞干涉测量

为了验证相干时间，作者使用拉姆塞干涉仪了进行磁场测量。

4

量子科学新的里程碑？

这会是量子科学新的里程碑吗？

在论文中，作者还指出了在更好的真空条件下，猫态的寿命可以延长至与相干时间匹配。自旋回波技术可以应用于猫态，以进一步减少退相干效应。在测量外部磁场时，猫态表现出接近海森堡极限的灵敏度，并比相干自旋态提高了15(2) dB。

其次，通过论文中所呈现的实验方法，实现了对自旋-F系统的高效初始化、操控和检测。同时，通过利用内在自由度对实用量子计量做出了贡献。此外，高自旋系统可应用于量子存储，并提供量子纠错和潜在量子位编码所需的冗余，用于量子计算。

作者表示，具有J = 0的基态和I = 1/2的核自旋的原子，通常被认为是自旋传感器的理想候选者。

可用的选择包括3He、129Xe、171Yb和199Hg，这些元素中没有自旋-1/2的同位素对。

通过这项工作，高自旋同位素现在可以加入候选池，171Yb/173Yb只是适用于开发双物种冷原子共磁力计的同位素对之一。

在这次实验中，该研究有以下创新点：

1.退相干自由子空间的应用

使猫态免受由光场引起的非均匀光移的退相干影响。

2.高维Hilbert空间利用

借助于173Yb的高自旋特性，能够利用丰富的Hilbert空间来实现更长的相干时间和增强的灵敏度。

3.非线性操作的有效实现

通过合理选择激光频率和功率，能够在实验中稳定生成和操控薛定谔猫态。

也许，这真的就是量子科学一个新的里程碑。

量子技术，很有可能成为下一轮科技革命的源动力。

走向更高维度的世界

日本作家夏目漱石有一本书叫《我是猫》。

这只猫说的第一句话是：

我不了解是什么力量在推动地球的旋转，但我知道推动整个社会运转的力量是金钱。

它清高孤傲，睥睨寰宇，猫眼看世界，完全是一种上帝视角。

猫天生具有让人“敬畏”的气质，它的路线诡异，不可捉摸，你永远不知道它半夜去了哪里。当你偶尔在黑夜里捕捉到它的行踪，它回头对你的冷眼一瞥，让人不寒而栗。

在那个神秘莫测的微观世界里，那个号称高维世界的投影，人类的唯一领路人就是这只猫。然而，薛定谔的这只猫并不想让人类窥视更深邃的微观世界。尽管在科学家眼中，那可能是通往更高维度的大门。

这只猫通过与哥本哈根派的联盟，站在了薛定谔和爱因斯坦的反对面。试图阻挡大统一理论的到来，掐断了人类通向高维世界的唯一线索。

这只猫傲慢地说：

愚蠢的人类，你们并不属于这里，快回到你们的低维度世界去！

不生不死的猫已经够厉害了。通往微观世界的神兽也够生猛。

但穿越多重世界的猫，这才是真正接近“上帝”般的存在。在人类已知的所有理论里，能够穿越多重世界的只有这只猫，这就是接近神一般的存在。

今天，来自中国科学家的研究成果，让这只猫得以存活更久。这在现实的应用方面，将为原子磁力计、量子信息纠错以及探索新物理等开辟出新途径。

而在更宏观的发展方向上，则让人类对微观世界的探索又往前迈进一大步。未来的科学探索将不仅限于物质世界，更将扩展到更深层次的量子世界中。

由物理学家所引领的人类，也将走向更高维度的世界。