薛定諤貓突然變大了？物理學(xué)家創(chuàng)建了有史以來(lái)最大的“疊加態(tài)”

一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)表明，成千上萬(wàn)個(gè)原子的聚集既能表現(xiàn)為波，也能像粒子一樣。

大型物體包括貓不會(huì)出現(xiàn)量子效應(yīng)，但物理學(xué)家尚未確定尺寸極限

薛定諤的貓好像變大了。物理學(xué)家創(chuàng)造了有史以來(lái)最大的“疊加態(tài)”——一個(gè)量子態(tài)，物體同時(shí)存在于多個(gè)可能位置的迷霧中。

維也納大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)將約7000個(gè)寬約8納米的鈉金屬原子組成的單個(gè)簇置于不同位置的疊加態(tài)中，每個(gè)簇間距為133納米。每個(gè)塊狀簇不像臺(tái)球一樣穿透實(shí)驗(yàn)裝置，而是像波浪一樣擴(kuò)散成空間上不同的疊加態(tài)，然后干涉形成研究人員能夠探測(cè)到的模式。

柏林弗里茨·哈伯研究所的物理學(xué)家桑德拉·艾本伯格-阿里亞斯稱這是一個(gè)極好的結(jié)果。

量子理論并未限制疊加態(tài)的大小，但她解釋說(shuō)，日常物體顯然并不以量子方式表現(xiàn)。她說(shuō)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)——將像蛋白質(zhì)或小病毒粒子這樣質(zhì)量的物體置于疊加態(tài)中——幫助回答了“量子與經(jīng)典之間是否存在過(guò)渡？”這一大而幾乎哲學(xué)化的問(wèn)題。作者們“表明，至少對(duì)于如此大小的星團(tuán)，量子力學(xué)依然有效”。

將該實(shí)驗(yàn)于1月21日發(fā)表在《自然》雜志上的英國(guó)布里斯托大學(xué)量子物理學(xué)家朱莉婭·魯比諾表示，這同樣具有實(shí)際意義。量子計(jì)算機(jī)最終需要維持?jǐn)?shù)百萬(wàn)個(gè)物體處于大型量子態(tài)，才能進(jìn)行有用的計(jì)算。如果自然界讓系統(tǒng)坍縮超過(guò)某個(gè)點(diǎn)，而這個(gè)規(guī)模小于制造量子計(jì)算機(jī)所需的規(guī)模，那就成了科學(xué)的問(wèn)題了。

疊加大小限制

物理學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)一直在爭(zhēng)論量子世界如何從一個(gè)底層的經(jīng)典的日常世界誕生出來(lái)。量子理論從未表明它在某個(gè)質(zhì)量或尺寸以上就停止工作。

1935年，奧地利物理學(xué)家歐文·薛定諤通過(guò)他著名的貓類思維實(shí)驗(yàn)揭示了量子力學(xué)常見(jiàn)解釋的荒謬性。貓被放入一個(gè)裝有毒藥的小瓶的盒子里，如果放射性原子衰變，毒藥會(huì)釋放出來(lái)。如果盒子與環(huán)境保持隔離，原子處于衰變和未衰變的疊加態(tài)，直到觀察到之前，貓?zhí)幱谝环N既有死也有活的未定義狀態(tài)。

在現(xiàn)實(shí)世界中，物體最終變得過(guò)于復(fù)雜或相互作用過(guò)多，無(wú)法維持疊加態(tài)，這一概念被稱為退相干。但量子力學(xué)也有擴(kuò)展，稱為坍縮理論，認(rèn)為系統(tǒng)在某個(gè)點(diǎn)之后，即使在孤立狀態(tài)下，也必然會(huì)退化到經(jīng)典態(tài)。在2025年《自然》雜志的一項(xiàng)調(diào)查中，4%的研究人員選擇了這些理論作為他們最喜歡的量子力學(xué)解讀。回答這個(gè)問(wèn)題的唯一方法是放大”量子實(shí)驗(yàn)。

為此，佩達(dá)利諾和他的團(tuán)隊(duì)在超高真空中以77開(kāi)爾文（?196攝氏度）產(chǎn)生了一組簇狀束。研究人員將束流通過(guò)由三道激光束構(gòu)成的光柵干涉儀。第一道干涉儀將簇引導(dǎo)通過(guò)狹窄的縫隙，從中它們擴(kuò)散并同步傳播為波;然后它們通過(guò)第二組狹縫，使波以獨(dú)特的干涉模式相互干擾，最終的光柵可以探測(cè)到。