那只既死又活的猫到了608amu！南科大团队把量子边界推向新极限

在量子力学百余年的发展史中，一个始终悬而未决的终极追问幽灵般地徘徊在物理学晴朗的天空：微观世界的叠加态，究竟在何时、以何种方式过渡到经典世界的确定性？ 1935年，埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）借由那只著名的“既死又活的猫”，将微观量子纠缠与宏观可观测现象之间的逻辑冲突推向了极致。

长期以来，物理学家们一直在实验中筑路，试图将“薛定谔猫态”的边界推向更宏观的尺度。然而，传统的实验方案——无论是大分子干涉仪、超导量子比特，还是囚禁离子系统——在面对“大质量”和“可扩展性”的双重拷问时，都遭遇了严苛的物理瓶颈。

2026年5月，发表于 Nature Physics 上的重磅研究论文 《Scalable generation of massive Schrödinger cat states via quantum tunnelling》 彻底打破了这一僵局。该研究由南方科技大学物理系及粤港澳大湾区量子科学中心的Bing Yang研究员团队主导完成，巧妙地利用超冷原子光晶格体系中的高阶微扰相干隧穿机制，成功制备出质量高达 608.4 amu 的空间非局域薛定谔猫态，在探索量子-经典边界与量子精密测量的道路上竖起了一座里程碑。

一、 经典边界的物理困境：质量惩罚与可扩展性佯谬

要理解这项工作的开创性，必须先理解传统“大猫态”制备方案所面临的“质量惩罚”（Mass Penalty）。

在宏观物质波干涉或空间叠加态的制备中，传统路径主要依赖大分子干涉技术（如富勒烯、复杂生物大分子）。这类方案虽然能不断刷新分子的质量上限，但其核心痛点在于：

1. 退相干的指数级加速：随着体系质量m的增加，物体的德布罗意波长急剧缩短，体系对环境热噪声、残余气体碰撞、热辐射的敏感度呈指数级上升，量子相干性在极短时间内就会荡然无存。
2. 缺乏可扩展性：大分子干涉是一种类“盲盒”式的单向发射干涉，每一次制备和测量都是孤立的。它无法像超导或半导体芯片那样，通过晶格或阵列结构进行并行化扩展，因而无法直接接入量子信息处理或大规模分布式精密测量网络。

物理学家曾试图转向光晶格中的超冷原子系统，因为这里具备完美的相干调控能力。但在这里，另一个物理铁律筑起了高墙——量子隧穿几率随粒子质量（或粒子数）呈指数级衰减。在常规的独立粒子图像中，要想让多个原子同时协同地从一个势阱隧穿到另一个势阱，其概率低到在宇宙寿命尺度内都几乎不可能发生。这一“质量惩罚”长期以来切断了利用隧穿效应构筑大质量空间叠加态的道路。

二、 核心机制创新：弱束缚团簇与准线性标度律

南方科技大学团队的智慧结晶，在于他们从根本上颠覆了“多粒子整体隧穿”的传统思维定势，在双阱超晶格中设计了一种被称为“弱束缚团簇”的全新量子物态。

他们采用超冷铷原子（⁸⁷Rb）系统，通过精确控制原子的原位相互作用，将其调整到一个极其精妙的微观能量窗口。团队打破了“必须用极强吸引力将原子绑死才能整体隧穿”的直觉，而是让单原子动能（J₀）、原位相互作用（U）与光晶格势垒高度（V₀）满足如下关系：V₀≫|U|≫J₀

在这种参数配置下，物理图景发生了奇妙的逆转：

• 竞争通道的能量惩罚：如果原子像往常一样，一个接一个地、或者以不同的步调相互竞争着隧穿，系统就会产生极高的原位相互作用能量惩罚。换言之，那些让粒子拆散、零星隧穿的中间状态，在能量上是被严厉禁止的。
• 高阶微扰的协同跨越：被逼入绝境的n个原子，最终只能选择一条唯一的量子通路——它们被迫丢掉独立的身份，退化为一个统一的复合对象。通过极高阶的虚过程微扰，这n个原子以绝对同步、不可分割的相干方式，集体“闪现”过势垒。
• 打破指数衰减的标度律：最令人惊叹的发现是，由于这种弱束缚和高阶协同机制，随着团簇中原子数n（即质量）的增加，体系的整体相干隧穿强度并没有发生灾难性的指数衰减，而是呈现出一种极为缓慢的、接近常数或准线性的标度特征。 这意味着，质量的增加不再是隧穿效应的“死刑判决书”，可扩展制备大质量猫态在理论上具备了完全的确定性。

三、 实验突破：608.4 amu 的空间大猫与批量化生产

理论的突破最终在极其精密的超冷原子实验平台上得到了验证。通过利用三维光晶格的精细亚微米级调控，杨兵团队在实验中成功观测到了由多达 7个⁸⁷Rb原子组成的原子团簇进行的整体相干量子隧穿。

这意味着，系统在相距约 320 纳米 的双阱空间中，成功构筑了如下形式的宏观多体纠缠态：

在这状态下，7个原子要么同时存在于左侧的势阱，要么同时存在于右侧的势阱。整个复合体系的静止质量达到了惊人的 608.4 amu（原子质量单位）。在空间分离尺度和质量尺度的综合指标上，这无疑是超冷原子领域迄今为止所能实现的、最清晰也是最重的“空间非局域薛定谔猫态”。

更为重要的是，得益于光晶格本身具有的周期性阵列结构，这一制备过程不是孤立、偶然的偶发事件。实验实现了在数百个光晶格双阱阵列中的并行化制备。这种“批量生产”大质量猫态的能力，完美响应了论文标题中的 "Scalable"（可扩展），也是该方案超越以往所有大分子干涉方案的关键所在。

四、 科学价值与应用前景：跨越标准量子极限

该论文之所以能够登顶 Nature Physics，不仅是因为它在一场关于量子基本原理的追逐中刷新了纪录，更在于它为量子信息与量子精密测量带来了立竿见影的“技术红利”。

1. 分布式量子计量学与空间原子干涉

这只质量高达 608.4 amu 的“空间大猫”，实质上是一个天然的、受到量子纠缠保护的高灵敏度原子干涉仪核心。由于7个原子被牢牢纠缠在空间分离的两个状态上，它们对外部物理场（如引力场、电磁场）的相位扰动具有极高的集体敏感性。

2. 突破标准量子极限（SQL）

在传统的无纠缠精密测量中，测量精度受制于标准量子极限（SQL），即其精度随原子数N按1/√N的比例改善。而南方科技大学团队利用该大猫态进行干涉测量，成功展示了突破标准量子极限的能力，其灵敏度开始逼近真正的物理极限——海森堡极限（1/N）。

在实际测试中，该系统对亚微米尺度内的能量移动实现了赫兹级的超高精度测量。这种极高的空间分辨和能量分辨能力，直接为微观世界的未知短程力探测、暗物质寻找、引力波探测以及芯片尺度的微型引力梯度计开发，开辟了极具诱惑力的应用图景。

结语

南方科技大学团队的这篇著作，是冷原子物理与量子信息科学深度交叉的一项杰作。它用极其优雅的高阶微扰物理机制，正面硬刚并巧妙绕过了“质量惩罚”的物理铁律，在光晶格的舞台上完美上演了一场“大象在针尖上跳量子华尔兹”的壮丽奇观。

《Scalable generation of massive Schrödinger cat states via quantum tunnelling》所揭示的准线性标度律表明，7个原子、608.4 amu 绝对不会是这套方案的终点。随着光晶格调控精度与激光冷却技术的持续精进，在不久的将来，由数十个、甚至上百个原子构成的、质量跨越数万amu的超宏观“薛定谔猫”必将在晶格中相干地漫步。届时，量子与经典的楚河汉界，或将被这只由超冷原子凝聚而成的“量子大猫”一举踏平。