水熊虫能真正实现薛定谔的猫？

近日在Quanta Magazine上刊载了一篇题为“How Big Can the Quantum World Be? Physicists Probe the Limits.”的文章[1]，文章中介绍了物理学家们就量子系统与经典系统鸿沟进行摸索的进展，令人印象深刻的是研究者打算操纵生命体（水熊虫）来制备量子相关态，一旦该方案当作功将有可能告竣物理学家们多年的夙愿——真正实现薛定谔的猫。以下就这篇文章的内容邀请中国科学院物理研究所的宿不凡教员连系自身超导量子计较的研究布景进行介绍与解读。

撰文 | 宿不凡（中国科学院物理研究所）

包罗构建量子计较机在内的所有操纵量子纪律的适用化方案中，我们面对的最大挑战在于量子系统中的退相关。以超导量子计较为例，固然在不到20年的时候内超导量子比特的退相关时候增添了近5个量级，从纳秒级别上升到了百微秒量级，可是要实现加倍通用的量子计较还需要更长更不变的相关时候与状况。进一步的，若是想要扩大量子计较机的规模，使其拥稀有千、甚至数百万个纠缠的量子比特，我们还需要弄清晰量子相关性与物理系统标准的关系。

现实上，量子系统的退相关从量子理论降生之日起就是物理学家们存眷的核心。双缝干与现象是最典型的量子干与现象，在干与尝试中若是一个个粒子接连经由过程隔板上两条相邻的狭缝，在不去测量粒子经由过程了哪条狭缝的时辰，粒子的行为近似水波，它的波函数将同时经由过程两条狭缝并发生干与，可是一旦在狭缝旁放置一台测量装配来测量每个粒子是否穿过这里，干与条纹就会消逝。引入测量之后，粒子的波函数似乎损失了相关性，也就是发生了所谓的退相关。退相关后初始系统中的叠加性消逝了，或者说这个别系的量子特征随之消逝了，系统从量子的转化为经典的。冯·诺伊曼（John von Neumann）在20宿世纪30年月提出了一种被普遍接管的“权宜之计”用以诠释量子系统波函数中概率的性质经测量获得确定成果的过程，他将上述过程称为“波函数的坍缩”。波函数坍缩的不雅点在必然水平上减小了量子理论与人们直不雅感触感染之间的冲突，可是需要注重的是波函数坍缩的不雅点自己并没有指明“坍缩”机制背后的物理。跟着手艺的前进与理论上的不竭摸索，物理学家们发现量子系统的退相关源于量子系统与测量仪器、情况的彼此感化，现实上我们的日常生活中量子叠加退相关时候很是短，可以估算出一粒在空气中、直径大约10微米的漂浮尘埃颗粒相距约10微米的两处位置叠加态因为与四周情况的彼此感化其将在10-31秒内退相关，如斯之短的时候我们根基无法测量，更不消说凭人的感官而感知了。而超导量子比特在该方面的显著前进则可以申明经由过程巧妙的测量设计和邃密的情况净化可以提高尝试中量子系统的退相关时候，同时在某种意义上也给了人们弄清量子退相关素质的但愿。

固然人们已经取得了良多进展，可是要进一步晋升量子系统的退相关时候需要从理论上取得冲破。规定薛定谔方程统治的量子范畴与牛顿定律统治的经典范畴之间的鸿沟是物理学中尚未解决的问题之一(图1为关于量子宿世界与经典宿世界鸿沟一个有趣的示意图)，物理学家但愿经由过程研究微不雅物体到宏不雅物体这一过程中的量子相关性的转变探讨退相关的素质，今朝物理学家们已经可以实现原子、亚原子粒子以及光子的叠加态。固然跟着研究系统的增大，系统受到可粉碎叠加态的彼此感化就越多，维持叠加态的难度也会增添，但可不雅测到叠加态的系统标准仍在稳步增大。该研究范畴的资深物理学家、奥地利University of Innsbruck的Oriol Romero-Isart相信在将来几年里也许能搞清晰退相关的素质以及我们的宿世界是否从微不雅到宏不雅都是量子化的。为此Romero-Isart与维也纳大学的Markus Aspelmeyer和瑞士苏黎宿世联邦理工学院（Federal Institute of Technology Zurich）的Lukas Novotny、Romain Quidant 团队合作开展了Q-Xtreme项目，今朝该项目已经当作功的实现了对直径100-140纳米系统的研究，令人欣喜的是他们已经研究了生物分子的相关性（短杆菌肽A1的自然多肽）并获得了杰出的结果。

Romero-Isart设想：下一步可操纵光束聚焦于一点形当作一个“光阱”，将病毒等细小的生命体定于特定位置后经由过程特定的方式将其制备当作两种振动状况的叠加，寻找它们之间的干与。他们甚至打算操纵一种体长约一毫米的徐行动物（水熊虫）进行尝试，水熊虫生命力很是固执，固执到可以表露在外太空中存活数日，也就是说将其放入超高真空的尝试情况中后其可以连结存活，进而知足人们对生命体量子叠加态的研究需求。一旦这一打算当作功，物理学家们将能制备“与薛定谔的猫意义十分附近的量子叠加态”，实现物理学多年的夙愿。