网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

《PRL》重磅:超导电路如何揭示“薛定谔的猫”走向消亡?

0
分享至

在量子力学的宏伟殿堂中,一个长久以来令人着迷且困惑的核心议题便是:微观世界的幺正、可逆演化,是如何过渡到我们所经历的宏观、经典、充满不可逆测量与耗散的世界的?

微观粒子可以同时处于多种状态的叠加,表现出完美的干涉与相干;然而,一旦这些系统与宏观环境发生接触,量子相干性便会迅速流失,这就是退相干。长期以来,理论物理学家普遍认为,退相干是由于信息向庞大环境中的扩散导致的。然而,在实验上精准、连续地调控环境的有效自由度,并实时捕捉从“可逆的信息回流”到“永久的不可逆耗散”之间的完整相变图景,一直是量子物理实验领域的一大挑战。

近期,在国际顶级学术期刊《Physical Review Letters》上发表的题为《Observation of the Transition from Reversible to Irreversible Decoherence of Mesoscopic Quantum Superpositions》的重要研究成果。该工作利用先进的电路量子电动力学(Circuit QED)架构,首次在实验上清晰地展示了中观量子叠加态(光子猫态)在与可控多体环境相互作用时,从非马尔可夫可逆退相干到马尔可夫不可逆退相干的平滑过渡。



一、 理论溯源:微观可逆与宏观不可逆的物理鸿沟

在封闭的理想量子系统中,系统的演化由含时薛定谔方程支配,其动力学算符是幺正的。这意味着原则上任何量子态的信息都不会丢失,时间箭头在微观尺度上是双向对称的。

然而,真实的量子系统必然处于开放环境之中。当系统与环境相互作用时:

  1. 非马尔可夫(Non-Markovian)效应:如果环境的自由度极少(例如仅包含单一或极少数分立模式),系统泄漏到环境中的量子信息并未真正消失。通过系统的幺正演化,这些信息可以在后续时刻重新“回流”到系统内部。此时,系统的量子相干性和纠缠熵会表现出周期性的振荡与复苏,这被称为可逆退相干。
  2. 马尔可夫(Markovian)与不可逆极限:随着环境自由度(有效维度N)的急剧增加,系统释放的信息向庞大的希尔伯特空间中高速扩散,并在环境中被高冗余地编码(这与“量子达尔文主义”的核心思想不谋而合)。此时,环境如同一个无底洞,信息几乎不可能在实验可及的时间内返回系统。相干性永久消失,经典的现实随之涌现,即不可逆退相干。

过去,虽然理论框架(如主方程方法、环境库工程等)对这两种机制进行了深入探讨,但在实验中动态追踪环境大小如何直接决定退相干性质的质变,依然缺乏直接、干净的观测证据。

二、 实验平台:基于超导电路的可控多体环境工程

为了在实验中克服这一难题,研究团队将目光投向了高度可控且设计灵活的电路量子电动力学平台。

硬件架构的设计: 该实验的核心装置包含一个频率固定的总线谐振腔,它与多个频率可调的约瑟夫森结非线性振子(超导量子比特)相连。这些比特被巧妙地赋予了不同的职责:

  • 辅助比特:部分比特被专门用于在总线谐振腔中制备中观的光子猫态(如真空态与相干态的叠加),并在演化结束后用于高精度读取其量子相干性。
  • 环境库比特:其余多达数个的频率可调比特则充当可控的环境库。通过微波脉冲精确控制它们与总线谐振腔的耦合强度与参与数量(即调节环境的有效维度N),研究团队能够在实验中“自由裁剪”环境的复杂度。

这种高精度的参数控制能力,使得研究人员得以在同一个物理体系中,从极小环境(N=1)平滑扫描至多体环境(N>1),观察系统动力学的定性突变。

三、 关键实验发现:从周期复苏到永久衰减的全景刻画

通过对系统演化过程中关键物理量的精密测量,研究团队取得了以下几项核心观测突破:

  1. 纠缠熵的相变演化:在单比特或低维环境(如N=1)情况下,系统与环境之间的纠缠熵随时间呈现出清晰的振荡行为:熵先上升(信息流出),随后下降并回归局域极小值(信息回流),对应着量子相干性的周期性复苏。然而,当研究人员逐步增加耦合的环境比特数量N时,这一振荡图景被迅速抹平。当N足够大时,纠缠熵在达到峰值后几乎保持恒定,不再回落。这在实验上直接标志着不可逆退相干机制的确立。
  2. 相空间量子干涉的抹除:利用Wigner函数的重构与宇称算符测量,团队捕捉到了光子猫态在相空间中的干涉条纹。在非马尔可夫区间,干涉项随着动力学演化发生周期性的消失与重现;而在马尔可夫多体环境中,干涉项一旦衰减便永久消失,定量展示了信息获取过程从“可逆”向“不可逆”的彻底转变。
  3. 互补原理与路径信息的不可逆获取: 从量子力学的互补原理来看,环境本质上充当了一个“Which-path”(哪条路径)的探测器。当环境自由度较少时,路径信息无法被彻底锁定,系统与环境纠缠可被幺正擦除;而当环境维度充分增大时,环境对系统状态的高冗余记录使得路径信息再也无法被逆转,宏观经典性由此浮现。

四、 科学价值与未来展望

这项工作在开放量子系统动力学的发展历程中具有里程碑式的意义:

  • 弥合微观与宏观的认知鸿沟:它不仅在实验上给出了“不可逆性源于多体纠缠与信息扩散”的直观证据,也为理解量子测量问题、波函数塌缩以及经典现实的演化提供了坚实的超导量子模拟范例。
  • 赋能未来的量子技术:随着量子计算机向规模化、多比特方向发展,如何精准控制和抑制来自复杂多体环境的噪声、优化量子纠错方案,是当前的核心痛点。该研究所建立的环境工程与精密测量技术,为未来复杂电路量子电动力学系统的量子控制开辟了崭新的道路。

这项精妙的实验不仅展示了我国科学家在超导量子信息前沿领域的深厚积累,也让我们对量子世界如何向经典世界过渡有了更加清晰的物理图景。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
全乱套了!少马爷收郭德纲为义子,大摆宴席排场拉满,郭汾阳也在

全乱套了!少马爷收郭德纲为义子,大摆宴席排场拉满,郭汾阳也在

汪巗的创业之路
2026-11-13 05:36:10
人每天最少要睡几个小时?医生坦言:低于这个时长,身体会承受不住

人每天最少要睡几个小时?医生坦言:低于这个时长,身体会承受不住

熊猫医学社
2026-11-11 11:35:05
谁能接管英伟达?这些人进入芯片业界视野

谁能接管英伟达?这些人进入芯片业界视野

界面新闻
2026-11-13 13:49:05
九合一选举,超2000万人投票,国民党选情交底,有6个县市危险?

九合一选举,超2000万人投票,国民党选情交底,有6个县市危险?

DS北风
2026-11-12 16:46:02
恭喜!上海男篮球员李添荣社媒晒结婚照并配文:一生所爱❤

恭喜!上海男篮球员李添荣社媒晒结婚照并配文:一生所爱❤

情感大头说说
2026-11-12 22:26:37
我在日本15年了,谈过5个日本女友,发现日本女孩都有一个共同点

我在日本15年了,谈过5个日本女友,发现日本女孩都有一个共同点

千秋文化
2026-06-02 19:39:08
12岁的小糯米独自赴英伦留学,这在富二代圈子里曾经是个潮流,但如今这么干的人少了

12岁的小糯米独自赴英伦留学,这在富二代圈子里曾经是个潮流,但如今这么干的人少了

一盅情怀
2026-11-10 15:45:57
原来她就是黄仁勋情人:比正妻小23岁,是个湖南姑娘,酷似张曼玉

原来她就是黄仁勋情人:比正妻小23岁,是个湖南姑娘,酷似张曼玉

林轻吟
2026-11-12 11:48:22
小学教师长期上班时间线上聚众赌博?教育局:情况属实

小学教师长期上班时间线上聚众赌博?教育局:情况属实

闪电新闻
2026-11-12 22:42:26
卢璐公开刘欢死因!膀胱癌瞒了14年,宁死不背尿袋,父母临终都不知情,网友:这才是体面

卢璐公开刘欢死因!膀胱癌瞒了14年,宁死不背尿袋,父母临终都不知情,网友:这才是体面

迪迪的娱乐故事
2026-11-13 11:06:10
收徒现场突然认义父:81岁马志明给郭德纲的,不是辈分是天津码头

收徒现场突然认义父:81岁马志明给郭德纲的,不是辈分是天津码头

一娱三分地
2026-11-12 16:17:24
校招群“劝学生别急于了解薪资”遭回怼?奇瑞声明:虚假招聘,已报案

校招群“劝学生别急于了解薪资”遭回怼?奇瑞声明:虚假招聘,已报案

界面新闻
2026-11-13 12:18:31
余承东只说了一半布局!华为发力OSTA星芒,但和苹果较量,手里还有另一张牌

余承东只说了一半布局!华为发力OSTA星芒,但和苹果较量,手里还有另一张牌

小蜜情感说
2026-11-13 10:25:59
女主播在缅甸视频流出:状态涣散,眼神无助,可惜了这么好的身材

女主播在缅甸视频流出:状态涣散,眼神无助,可惜了这么好的身材

皮蛋儿电影
2026-09-23 10:51:15
台积电创办人张忠谋:如果限制中国大陆,中国大陆真的没办法反制

台积电创办人张忠谋:如果限制中国大陆,中国大陆真的没办法反制

爱史纪
2026-11-08 03:00:43
再爆出轨,谁在搞死黄仁勋?

再爆出轨,谁在搞死黄仁勋?

热辣茉莉说
2026-11-12 09:31:14
妹子怀疑猫吃了800元买的角蛙,在网上蛐蛐猫一整天,结果反转了?网友:快拿10个罐罐给咪道歉!

妹子怀疑猫吃了800元买的角蛙,在网上蛐蛐猫一整天,结果反转了?网友:快拿10个罐罐给咪道歉!

铲屎官阿伟
2026-11-08 09:26:17
一男子在星巴克连续多日占座不消费,被店员提醒后投诉并报警,“消费入座”属商家自主安排还是变相设置最低消费?专家解读

一男子在星巴克连续多日占座不消费,被店员提醒后投诉并报警,“消费入座”属商家自主安排还是变相设置最低消费?专家解读

环球网资讯
2026-11-12 09:49:42
石破茂拐弯骂醒日本!30年前GDP是中国的7倍,如今只剩五分之一!

石破茂拐弯骂醒日本!30年前GDP是中国的7倍,如今只剩五分之一!

萧嚉影视解说
2026-11-11 21:03:59
官恩娜:我这辈子最正确的决定,就是患面瘫最无助时嫁了一个医生

官恩娜:我这辈子最正确的决定,就是患面瘫最无助时嫁了一个医生

飘飘然的娱乐汇
2026-11-11 20:00:17
2026-11-13 15:11:00
万象经验 incentive-icons
万象经验
专注科普
1557文章数 808关注度
往期回顾 全部

科技要闻

黄仁勋辞职,马斯克们抱不平!

头条要闻

牛弹琴:黄仁勋黯然辞职 至少释放三重信号

头条要闻

牛弹琴:黄仁勋黯然辞职 至少释放三重信号

体育要闻

28年前的“点球罪人”,把冠军带回大连

娱乐要闻

黄仁勋与黄乐合照曝光,吃饭氛围暧昧

财经要闻

72岁王健林重回“一号位”

汽车要闻

限时权益价8.88万 吉利星愿STAR限定系列发布

态度原创

教育
时尚
旅游
艺术
军事航空

教育要闻

中俄教育年独家专访|远东联邦大学副校长详解赴俄留学新趋势

霍启山娜然婚礼将近,豪门新娘妆长什么样?

旅游要闻

直播间低价旅游卡兑现难 文旅消费陷阱如何破?

艺术要闻

17位 国外画家笔下的女子

军事要闻

俄乌宣告达成换俘协议

无障碍浏览 进入关怀版