量子、水熊蟲、薛定諤的貓

Quanta Magazine 上刊載了一篇題為“HowBig Can the Quantum World Be？ Physicists Probethe Limits.”的文章，文章中介紹了物理學(xué)家就量子體系與經(jīng)典體系邊界進(jìn)行探索的進(jìn)展。令人印象深刻的是，研究者計劃利用生命體（水熊蟲）來制備量子相干態(tài)。一旦該方案成功，將有可能達(dá)成物理學(xué)家多年的夙愿——真正實現(xiàn)“薛定諤的貓”所具備的那種狀態(tài)。

下文中，來自中國科學(xué)院物理研究所的宿非凡老師會結(jié)合自身超導(dǎo)量子計算的研究背景，對該實驗進(jìn)行介紹與解讀。

包括構(gòu)建量子計算機(jī)在內(nèi)的所有利用量子規(guī)律的實用化方案中，我們面臨的最大挑戰(zhàn)在于量子體系中的退相干。

以超導(dǎo)量子計算為例，雖然在不到20年的時間內(nèi)超導(dǎo)量子比特的退相干時間增加了近5個量級，從納秒級別上升到了百微秒量級，但是要實現(xiàn)更加通用的量子計算還需要更長更穩(wěn)定的相干時間與狀態(tài)。進(jìn)一步的，如果想要擴(kuò)大量子計算機(jī)的規(guī)模，使其擁有數(shù)千甚至數(shù)百萬個糾纏的量子比特，我們還需要弄清楚量子相干性與物理體系尺度的關(guān)系。

實際上，量子體系的退相干從量子理論誕生之日起就是物理學(xué)家關(guān)注的焦點。

雙縫干涉現(xiàn)象是最典型的量子干涉現(xiàn)象。在干涉實驗中，如果一個個粒子接連通過隔板上兩條相鄰的狹縫，在不去測量粒子通過了哪條狹縫的時候，粒子的行為類似水波，它的波函數(shù)將同時通過兩條狹縫并產(chǎn)生干涉;可是一旦在狹縫旁放置一臺測量裝置來測量每個粒子是否穿過這里，干涉條紋就會消失。引入測量之后，粒子的波函數(shù)似乎喪失了相干性，也就是發(fā)生了所謂的退相干。

退相干后初始體系中的疊加性消失了，或者說這個體系的量子特性隨之消失了，系統(tǒng)從量子的轉(zhuǎn)化為經(jīng)典的。

馮·諾伊曼（John von Neumann）在20世紀(jì)30年代提出了一種被廣泛接受的“權(quán)宜之計”，用以解釋量子體系波函數(shù)中概率的性質(zhì)經(jīng)測量得到確定結(jié)果的過程，他將上述過程稱為“波函數(shù)的坍縮”。波函數(shù)坍縮的觀點在一定程度上減小了量子理論與人們直觀感受之間的沖突，但是需要注意的是，波函數(shù)坍縮的觀點本身并沒有指明“坍縮”背后的物理機(jī)制。

隨著技術(shù)的進(jìn)步與理論上的不斷探索，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，量子系統(tǒng)的退相干源于量子系統(tǒng)與測量儀器、環(huán)境的相互作用。

實際上，我們的日常生活中量子疊加退相干時間非常短，可以估算出，一粒在空氣中、直徑大約10微米的飄浮塵埃顆粒在相距約10微米的兩處位置疊加態(tài)，由于與周圍環(huán)境的相互作用，其將在10-31秒內(nèi)退相干。如此之短的時間我們基本無法測量，更不用說憑人的感官而感知了。

而超導(dǎo)量子比特在該方面的顯著進(jìn)步則可以說明，通過巧妙的測量設(shè)計和精細(xì)的環(huán)境凈化，可以延長實驗中量子系統(tǒng)的退相干時間，同時在某種意義上，也給了人們弄清量子退相干本質(zhì)的希望。

雖然人們已經(jīng)取得了很多進(jìn)展，但是要進(jìn)一步提升量子系統(tǒng)的退相干時間，需要從理論上取得突破。

劃定薛定諤方程統(tǒng)治的量子領(lǐng)域與牛頓定律統(tǒng)治的經(jīng)典領(lǐng)域之間的邊界，是物理學(xué)中尚未解決的問題之一。物理學(xué)家希望通過研究微觀物體到宏觀物體這一過程中的量子相干性的變化，探究退相干的本質(zhì)。

目前，物理學(xué)家們已經(jīng)可以實現(xiàn)原子、亞原子粒子以及光子的疊加態(tài)。雖然隨著研究體系的增大，體系受到可破壞疊加態(tài)的相互作用就越多，維持疊加態(tài)的難度也會增加，但可觀測到疊加態(tài)的系統(tǒng)尺度仍在穩(wěn)步增大。該研究領(lǐng)域的資深物理學(xué)家、奧地利因斯布魯克大學(xué)的Oriol Romero-Isart相信，在未來幾年里也許能搞清楚退相干的本質(zhì)，以及我們的世界是否從微觀到宏觀都是量子化的。

為此，Romero-Isart與維也納大學(xué)的MarkusAspelmeyer，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Lukas Novotny、Romain Quidant 團(tuán)隊合作，開展了Q-Xtreme項目。目前，該項目已經(jīng)成功實現(xiàn)了對直徑100～140納米體系的研究。令人欣喜的是，他們已經(jīng)研究了生物分子的相干性（短桿菌肽A1的天然多肽），并獲得了良好的效果。

Romero-Isart設(shè)想：下一步，可利用光束聚焦于一點形成一個“光阱”，將病毒等微小的生命體定于特定位置后，通過特定的方法將其制備成兩種振動狀態(tài)的疊加，尋找它們之間的干涉。他們甚至計劃，利用一種體長約1毫米的緩步動物（水熊蟲）進(jìn)行實驗。水熊蟲的生命力非常頑強(qiáng)，頑強(qiáng)到可以暴露在外太空中存活數(shù)日。也就是說，將其放入超高真空的實驗環(huán)境中后，其可以保持存活，進(jìn)而滿足人們對生命體量子疊加態(tài)的研究需求。

一旦這一計劃成功，物理學(xué)家將制備出“與薛定諤的貓意義十分相近的量子疊加態(tài)”，打破量子領(lǐng)域與經(jīng)典領(lǐng)域之間的邊界，實現(xiàn)物理學(xué)多年的夙愿。