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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体系与经典体系边界进行探索的进展,令人印象深刻的是研究者计划利用生命体(水熊虫)来制备量子相干态,一旦该方案成功将有可能达成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非凡老师结合自身超导量子计算的研究背景进行介绍与解读。

撰文 | 宿非凡(中国科学院物理研究所)

包括构建量子计算机在内的所有利用量子规律的实用化方案中,我们面临的最大挑战在于量子体系中的退相干。以超导量子计算为例,虽然在不到20年的时间内超导量子比特的退相干时间增加了近5个量级,从纳秒级别上升到了百微秒量级,但是要实现更加通用的量子计算还需要更长更稳定的相干时间与状态。进一步的,如果想要扩大量子计算机的规模,使其拥有数千、甚至数百万个纠缠的量子比特,我们还需要弄清楚量子相干性与物理体系尺度的关系。

实际上,量子体系的退相干从量子理论诞生之日起就是物理学家们关注的焦点。双缝干涉现象是最典型的量子干涉现象,在干涉实验中如果一个个粒子接连通过隔板上两条相邻的狭缝,在不去测量粒子通过了哪条狭缝的时候,粒子的行为类似水波,它的波函数将同时通过两条狭缝并产生干涉,可是一旦在狭缝旁放置一台测量装置来测量每个粒子是否穿过这里,干涉条纹就会消失。引入测量之后,粒子的波函数似乎丧失了相干性,也就是发生了所谓的退相干。退相干后初始体系中的叠加性消失了,或者说这个体系的量子特性随之消失了,系统从量子的转化为经典的。冯・诺伊曼(John von Neumann)在20世纪30年代提出了一种被广泛接受的“权宜之计”用以解释量子体系波函数中概率的性质经测量得到确定结果的过程,他将上述过程称为“波函数的坍缩”。波函数坍缩的观点在一定程度上减小了量子理论与人们直观感受之间的冲突,但是需要注意的是波函数坍缩的观点本身并没有指明“坍缩”机制背后的物理。随着技术的进步与理论上的不断探索,物理学家们发现量子系统的退相干源于量子系统与测量仪器、环境的相互作用,实际上我们的日常生活中量子叠加退相干时间非常短,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由于与周围环境的相互作用其将在10-31秒内退相干,如此之短的时间我们基本无法测量,更不用说凭人的感官而感知了。而超导量子比特在该方面的显著进步则可以说明通过巧妙的测量设计和精细的环境净化可以提高实验中量子系统的退相干时间,同时在某种意义上也给了人们弄清量子退相干本质的希望。

虽然人们已经取得了很多进展,但是要进一步提升量子系统的退相干时间需要从理论上取得突破。划定薛定谔方程统治的量子领域与牛顿定律统治的经典领域之间的边界是物理学中尚未解决的问题之一(图1为关于量子世界与经典世界边界一个有趣的示意图),物理学家希望通过研究微观物体到宏观物体这一过程中的量子相干性的变化探究退相干的本质,目前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。虽然随着研究体系的增大,体系受到可破坏叠加态的相互作用就越多,维持叠加态的难度也会增加,但可观测到叠加态的系统尺度仍在稳步增大。该研究领域的资深物理学家、奥地利University of Innsbruck的Oriol Romero-Isart相信在未来几年里也许能搞清楚退相干的本质以及我们的世界是否从微观到宏观都是量子化的。为此Romero-Isart与维也纳大学的Markus Aspelmeyer和瑞士苏黎世联邦理工学院(Federal Institute of Technology Zurich)的Lukas Novotny、Romain Quidant 团队合作开展了Q-Xtreme项目,目前该项目已经成功的实现了对直径100-140纳米体系的研究,令人欣喜的是他们已经研究了生物分子的相干性(短杆菌肽A1的天然多肽)并获得了良好的效果。

Romero-Isart设想:下一步可利用光束聚焦于一点形成一个“光阱”,将病毒等微小的生命体定于特定位置后通过特定的方法将其制备成两种振动状态的叠加,寻找它们之间的干涉。他们甚至计划利用一种体长约一毫米的缓步动物(水熊虫)进行实验,水熊虫生命力非常顽强,顽强到可以暴露在外太空中存活数日,也就是说将其放入超高真空的实验环境中后其可以保持存活,进而满足人们对生命体量子叠加态的研究需求。一旦这一计划成功,物理学家们将能制备“与薛定谔的猫意义十分相近的量子叠加态”,实现物理学多年的夙愿。

划定薛定谔方程统治的量子领域与牛顿定律统治的经典领域之间的边界是物理学中尚未解决的问题之一。

图片引用自:Zurek W H. Decoherence and the Transition from Quantum to Classical[J], Physics today, 1991, 44, 10: 36-44.

参考文献

[1]https://www.quantamagazine.org/how-big-can-the-quantum-world-be-physicists-probe-the-limits-20210818/

本文经授权转载自微信公众号“物理与工程”,原题目为《量子、水熊虫、薛定谔的猫》。