引
物理学上有四大神兽，芝诺的(de)乌龟、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖、薛(xuē)定谔的(de)貓(māo)。分(fēn)别对应着微积分(fēn)、经典力学、热力学第2定律和量(liàng)子(zi)力学。
在這(zhè)四大神兽中，薛(xuē)定谔的(de)貓(māo)是最神奇的(de)。它行走生死(sǐ)之间，穿越平行世界。新生代的(de)物理学家，都笼罩在這(zhè)只貓(māo)的(de)阴影下。如果真的(de)有上帝，那貓(māo)是最有竞争力的(de)。
它既可以是一(yī)只死(sǐ)貓(māo)，也(yě)可以是一(yī)只活貓(māo)。
换句话来说，它处于生存与死(sǐ)亡的(de)叠加(jiā)状態(tài)。
不过，根据退相(xiāng)乾(gàn)理論(lùn)，它不可能(néng)永远处于這(zhè)种叠加(jiā)態(tài)。由于環(huán)境影响，這(zhè)种叠加(jiā)状態(tài)最多只能(néng)存续几秒鍾(zhōng)。也(yě)就是说，這(zhè)只貓(māo)很可怜，最多只能(néng)活短短几秒鍾(zhōng)。
但(dàn)現(xiàn)在，它可以活上23分(fēn)鍾(zhōng)了(le)！
可别小看這(zhè)23分(fēn)鍾(zhōng)，因爲(wèi)這(zhè)意味着人类对量(liàng)子(zi)力学的(de)研究又有了(le)重大进展。
這(zhè)一(yī)切是怎么发生的(de)呢？
在说明這(zhè)项研究成果之前，先说说這(zhè)只貓(māo)是怎么来的(de)。
1
薛(xuē)定谔的(de)貓(māo)是怎么来的(de)？
1926前，薛(xuē)定谔融合爱因斯坦和德布罗意理論(lùn)爲(wèi)一(yī)炉，创立了(le)严谨自洽的(de)波(bō)函数理論(lùn)。他把波(bō)动力学化爲(wèi)了(le)“薛(xuē)定谔方(fāng)程”，具有世界上独一(yī)无二的(de)价值。
展开全文
但(dàn)作爲(wèi)一(yī)個(gè)物理学家，薛(xuē)定谔总覺(jué)得自己创立的(de)這(zhè)個(gè)方(fāng)程有毛病。尽管所有人都认爲(wèi)這(zhè)是一(yī)种天才创造，但(dàn)自己怎么看都覺(jué)得诡异。
因爲(wèi)它与量(liàng)子(zi)理論(lùn)本身相(xiāng)抵触，就算有爱因斯坦的(de)安慰，薛(xuē)定谔8年来还是天天梦魇。
薛(xuē)定谔覺(jué)得這(zhè)样的(de)日子(zi)没办法过下去了(le)，得搞(gǎo)個(gè)实验来論(lùn)证到底是谁的(de)錯(cuò)。所以后来就有了(le)著名的(de)1935年“薛(xuē)定谔的(de)貓(māo)”的(de)实验。
這(zhè)個(gè)实验简单地讲是這(zhè)样的(de)：
将一(yī)只貓(māo)关在一(yī)個(gè)密闭无窗的(de)盒子(zi)里，盒子(zi)里有一(yī)些放射性物质。一(yī)旦放射性物质衰变，有一(yī)個(gè)装置就会使锤子(zi)砸碎毒药瓶，将貓(māo)毒死(sǐ)。反(fǎn)之，衰变未发生，貓(māo)便能(néng)活下来。
大名鼎鼎的(de)“薛(xuē)定谔的(de)貓(māo)”，从此诞生。
尽管几乎所有人认爲(wèi)薛(xuē)定谔的(de)貓(māo)必死(sǐ)无疑，可事情却没這(zhè)么简单。
這(zhè)只貓(māo)开始嘲弄代表人类最高智慧的(de)科学家們(men)，它被赋予量(liàng)子(zi)世界的(de)特异功能(néng)——量(liàng)子(zi)叠加(jiā)。在這(zhè)貓(māo)身上，宏观世界的(de)因果律业已坍塌，只剩下一(yī)连串(chuàn)的(de)概率波(bō)。
這(zhè)貓(māo)既死(sǐ)又活、生死(sǐ)叠加(jiā)。
实验从理論(lùn)上证明這(zhè)只貓(māo)是不生不死(sǐ)的(de)，半個(gè)科学界当時(shí)就傻眼了(le)。
這(zhè)個(gè)实验让科学家第一(yī)次切身感受微观世界的(de)神迹，从而感受另一(yī)個(gè)完全不一(yī)样的(de)世界。這(zhè)只貓(māo)，非常明确地告诉我們(men)：
微观世界，它的(de)运行槼(guī)则与現(xiàn)实世界不一(yī)样。
尽管从未见过這(zhè)只行走于生死(sǐ)边界的(de)貓(māo)，但(dàn)科学家們(men)却异口同声地证实他們(men)见过薛(xuē)定谔之貓(māo)的(de)幽灵。
你想象不出它活着的(de)样子(zi)，但(dàn)它却实际存在。有了(le)微观世界的(de)真实发現(xiàn)，又有團(tuán)队谋划着把薛(xuē)定谔之貓(māo)彻底带到宏观世界，挑战量(liàng)子(zi)世界的(de)边界。
這(zhè)只貓(māo)，正是连通這(zhè)两個(gè)世界的(de)灵物。
如果说人在主(zhǔ)宰宏观世界，那么貓(māo)在守護(hù)着微观世界的(de)入口。微观世界的(de)确看不到，但(dàn)我們(men)可以从這(zhè)只貓(māo)身上去追踪和了(le)解。
2
這(zhè)只貓(māo)爲(wèi)何短命？
不幸的(de)是，這(zhè)只貓(māo)很短命。
短命的(de)主(zhǔ)要原因，是退相(xiāng)乾(gàn)傚(xiào)应。
退相(xiāng)乾(gàn)是指量(liàng)子(zi)系统与其(qí)環(huán)境之间的(de)相(xiāng)互作用(yòng)，使得叠加(jiā)態(tài)逐渐失去相(xiāng)乾(gàn)性并变爲(wèi)经典混合態(tài)。
比如说，当一(yī)個(gè)原子(zi)与周围的(de)光子(zi)、声子(zi)或其(qí)他粒子(zi)相(xiāng)互作用(yòng)時(shí)，這(zhè)些微小的(de)乾(gàn)扰会导致叠加(jiā)状態(tài)“塌缩”或丢失。環(huán)境中的(de)热噪声、振动和电磁乾(gàn)扰，都会引发退相(xiāng)乾(gàn)。
想象一(yī)下，你有一(yī)杯刚刚倒好的(de)热咖啡，上面漂浮着一(yī)些冷的(de)奶油。此時(shí)，咖啡和奶油是分(fēn)層(céng)的(de)，互不混合。這(zhè)就像是量(liàng)子(zi)系统中粒子(zi)处在一(yī)個(gè)稳定的(de)“量(liàng)子(zi)叠加(jiā)態(tài)”——它們(men)同時(shí)处于多种状態(tài)。
但(dàn)是，如果你用(yòng)勺子(zi)去搅拌咖啡和奶油，它們(men)就会混合在一(yī)起，变成一(yī)种新的(de)均匀状態(tài)。原本分(fēn)層(céng)的(de)咖啡和奶油再(zài)也(yě)无法分(fēn)开，就像量(liàng)子(zi)系统中的(de)“退相(xiāng)乾(gàn)傚(xiào)应”。
這(zhè)個(gè)过程使得量(liàng)子(zi)系统的(de)特殊性质消失，变得不再(zài)神秘，也(yě)不再(zài)适合进行量(liàng)子(zi)計(jì)算或测量(liàng)。
薛(xuē)定谔的(de)貓(māo)，就是在這(zhè)個(gè)过程中消亡的(de)。
从薛(xuē)定谔的(de)貓(māo)延伸到量(liàng)子(zi)計(jì)算，两者利用(yòng)的(de)都是“量(liàng)子(zi)叠加(jiā)態(tài)”。
量(liàng)子(zi)計(jì)算之前，经典計(jì)算基础的(de)构建要素－－Bit存在于两种不同状態(tài)：0或是1。這(zhè)就是传统計(jì)算机里最底層(céng)的(de)世界，
虽然简单，但(dàn)它能(néng)创造出一(yī)個(gè)偌大的(de)互联网世界。然而也(yě)有一(yī)個(gè)缺点，在同一(yī)時(shí)间只能(néng)处理一(yī)個(gè)Bit，計(jì)算能(néng)力受到限制。
而在量(liàng)子(zi)計(jì)算中，槼(guī)则改变了(le)，一(yī)個(gè)“量(liàng)子(zi)比特”不仅仅存在于传统的(de)0和1状態(tài)中，还可以是一(yī)种两者连续或重叠状態(tài)。
因爲(wèi)量(liàng)子(zi)具有不确定性，量(liàng)子(zi)比特（Qubit）被描述成 α0|0⟩+α1|1⟩，其(qí)中 |α0|^2+|α1|^2=1。也(yě)就是说，普通計(jì)算机n比特可以描述2^n個(gè)整数之一(yī)。但(dàn)n個(gè)量(liàng)子(zi)比特可以同時(shí)描述2^n個(gè)复数，這(zhè)也(yě)是量(liàng)子(zi)計(jì)算让人类既爱慕又恐惧的(de)原因！
因此，科学家們(men)努力让量(liàng)子(zi)系统“保持不被搅动”，以避免退相(xiāng)乾(gàn)傚(xiào)应，让它們(men)维持量(liàng)子(zi)状態(tài)更长時(shí)间。
维持相(xiāng)乾(gàn)性，对于量(liàng)子(zi)科学很重要：
①量(liàng)子(zi)計(jì)算
要实現(xiàn)复杂的(de)計(jì)算任务，量(liàng)子(zi)計(jì)算机必须维持足够长時(shí)间的(de)相(xiāng)乾(gàn)性，以确保計(jì)算过程中的(de)每一(yī)步都是精确且有傚(xiào)的(de)。
②量(liàng)子(zi)通信(xìn)
在量(liàng)子(zi)通信(xìn)中，如量(liàng)子(zi)密钥分(fēn)发（QKD），信(xìn)息的(de)安全性依赖于量(liàng)子(zi)態(tài)的(de)相(xiāng)乾(gàn)性。如果相(xiāng)乾(gàn)性被破坏，就可能(néng)导致信(xìn)息泄露或系统故障。保持相(xiāng)乾(gàn)性可以确保量(liàng)子(zi)信(xìn)息在传输过程中不被環(huán)境噪声乾(gàn)扰。
③量(liàng)子(zi)传感和計(jì)量(liàng)
量(liàng)子(zi)传感器和計(jì)量(liàng)设备，如原子(zi)鍾(zhōng)和重力探测器，利用(yòng)量(liàng)子(zi)叠加(jiā)和纠缠態(tài)来实現(xiàn)高精度测量(liàng)。相(xiāng)乾(gàn)性越长，這(zhè)些设备的(de)测量(liàng)精度和可靠性就越高。
没想到吧，让這(zhè)只貓(māo)活得更长一(yī)些，原来這(zhè)么重要！
3
爲(wèi)何可以活到23分(fēn)鍾(zhōng)了(le)？
那么，這(zhè)支来自中国的(de)研究團(tuán)队是如何做到让貓(māo)活上23分(fēn)鍾(zhōng)的(de)呢？
量(liàng)子(zi)計(jì)量(liàng)学通常利用(yòng)非经典態(tài)（如薛(xuē)定谔貓(māo)態(tài)和纠缠態(tài)），来超越标准量(liàng)子(zi)极限（SQL）提高测量(liàng)精度。
例如：
1. 里德堡原子(zi)的(de)貓(māo)態(tài)可作爲(wèi)电场或磁场的(de)灵敏(mǐn)探针；
2. 多個(gè)粒子(zi)的(de)纠缠態(tài)在玻色-爱因斯坦凝聚体的(de)乾(gàn)涉相(xiāng)位测量(liàng)中超越了(le)经典非关联粒子(zi)態(tài)。
3. 单個(gè)粒子(zi)的(de)貓(māo)態(tài)还可以与多粒子(zi)纠缠態(tài)结合，进一(yī)步提高量(liàng)子(zi)計(jì)量(liàng)的(de)精度。
然而，利用(yòng)非经典態(tài)进行测量(liàng)面临两個(gè)关键挑战：
（1）制备非经典態(tài)通常需要非线性或非局域操作；
（2）由于這(zhè)些態(tài)在環(huán)境中易受乾(gàn)扰，保持其(qí)相(xiāng)乾(gàn)性较爲(wèi)困难。
爲(wèi)了(le)解决上面這(zhè)两個(gè)挑战，他們(men)利用(yòng)了(le)激光冷原子(zi)方(fāng)法，制备成基于自鏇(xuán)的(de)薛(xuē)定谔貓(māo)態(tài)。
也(yě)就是利用(yòng)光晶格囚禁自鏇(xuán)爲(wèi)5/2的(de)镱-173原子(zi)，通过控制激光脉冲对原子(zi)诱导非线性光频移，制备出由自鏇(xuán)投影爲(wèi)+5/2与-5/2两個(gè)態(tài)组成的(de)叠加(jiā)態(tài)。
由于這(zhè)两個(gè)態(tài)的(de)磁量(liàng)子(zi)数相(xiāng)距最远，所以它們(men)的(de)叠加(jiā)態(tài)被称爲(wèi)薛(xuē)定谔貓(māo)態(tài)。
這(zhè)种貓(māo)態(tài)具有增强的(de)磁场灵敏(mǐn)性，同時(shí)在光晶格中感受到完全相(xiāng)同的(de)光频移，处于“无消相(xiāng)乾(gàn)子(zi)空间”中，从而对光晶格的(de)强度噪声和光斑形貌变化具有天然的(de)免疫性。
研究團(tuán)队通过以下具体步骤，实現(xiàn)了(le)长达1.4(1) ×10³秒的(de)量(liàng)子(zi)相(xiāng)乾(gàn)時(shí)间：
使用(yòng)退相(xiāng)乾(gàn)自由子(zi)空间
在实验中通过构建一(yī)個(gè)退相(xiāng)乾(gàn)自由子(zi)空间来保護(hù)量(liàng)子(zi)態(tài)。该子(zi)空间使薛(xuē)定谔貓(māo)態(tài)在光学晶格中对非均匀光移不敏(mǐn)感，避免了(le)由環(huán)境引起的(de)退相(xiāng)乾(gàn)傚(xiào)应。
非线性自鏇(xuán)鏇(xuán)转
使用(yòng)非线性自鏇(xuán)鏇(xuán)转来生成量(liàng)子(zi)叠加(jiā)態(tài)。這(zhè)涉及使用(yòng)σ+偏振的(de)控制激光脉冲沿着特定方(fāng)向传播，驱动原子(zi)自鏇(xuán)的(de)动態(tài)。
光学晶格的(de)保護(hù)作用(yòng)
实验中采用(yòng)了(le)适当的(de)“魔术波(bō)长”来减轻光移带来的(de)不良影响。這(zhè)种方(fāng)法可以有傚(xiào)减少由光场引起的(de)系统误差和退相(xiāng)乾(gàn)问题。
长時(shí)间的(de)拉姆塞乾(gàn)涉测量(liàng)
爲(wèi)了(le)验证相(xiāng)乾(gàn)時(shí)间，作者使用(yòng)拉姆塞乾(gàn)涉仪了(le)进行磁场测量(liàng)。
4
量(liàng)子(zi)科学新的(de)里程碑？
這(zhè)会是量(liàng)子(zi)科学新的(de)里程碑吗？
這(zhè)项研究提到，在更好的(de)真空条件下，貓(māo)態(tài)的(de)寿命可以延长至与相(xiāng)乾(gàn)時(shí)间匹配。自鏇(xuán)回波(bō)技术可以应用(yòng)于貓(māo)態(tài)，以进一(yī)步减少退相(xiāng)乾(gàn)傚(xiào)应。在测量(liàng)外部磁场時(shí)，貓(māo)態(tài)表現(xiàn)出接近海森堡极限的(de)灵敏(mǐn)度，并比相(xiāng)乾(gàn)自鏇(xuán)態(tài)提高了(le)15(2) dB。
其(qí)次，该研究还实現(xiàn)了(le)对自鏇(xuán)-F系统的(de)高傚(xiào)初始化、操控和检测。同時(shí)，通过利用(yòng)内在自由度对实用(yòng)量(liàng)子(zi)計(jì)量(liàng)做出了(le)贡献。此外，高自鏇(xuán)系统可应用(yòng)于量(liàng)子(zi)存储，并提供量(liàng)子(zi)纠錯(cuò)和潜在量(liàng)子(zi)位编码所需的(de)冗余，用(yòng)于量(liàng)子(zi)計(jì)算。
具有J = 0的(de)基態(tài)和I = 1/2的(de)核自鏇(xuán)的(de)原子(zi)，通常被认爲(wèi)是自鏇(xuán)传感器的(de)理想候选者。可用(yòng)的(de)选择包括3He、129Xe、171Yb和199Hg，這(zhè)些元素中没有自鏇(xuán)-1/2的(de)同位素对。
通过這(zhè)项工作，高自鏇(xuán)同位素現(xiàn)在可以加(jiā)入候选池，171Yb/173Yb只是适用(yòng)于开发双物种冷原子(zi)共磁力計(jì)的(de)同位素对之一(yī)。
在這(zhè)次实验中，研究者們(men)实現(xiàn)了(le)：
1 退相(xiāng)乾(gàn)自由子(zi)空间的(de)应用(yòng) 使貓(māo)態(tài)免受由光场引起的(de)非均匀光移的(de)退相(xiāng)乾(gàn)影响。
2 高维Hilbert空间利用(yòng) 借助于173Yb的(de)高自鏇(xuán)特性，能(néng)够利用(yòng)丰富的(de)Hilbert空间来实現(xiàn)更长的(de)相(xiāng)乾(gàn)時(shí)间和增强的(de)灵敏(mǐn)度。
3 非线性操作的(de)有傚(xiào)实現(xiàn) 通过合理选择激光频率和功率，能(néng)够在实验中稳定生成和操控薛(xuē)定谔貓(māo)態(tài)。
也(yě)許(xǔ)，這(zhè)真的(de)就是量(liàng)子(zi)科学一(yī)個(gè)新的(de)里程碑。
量(liàng)子(zi)技术，很有可能(néng)成爲(wèi)下一(yī)轮科技革命的(de)源动力。
结
走向更高维度的(de)世界
日本作家夏目漱石有一(yī)本书叫《我是貓(māo)》。
這(zhè)只貓(māo)说的(de)第一(yī)句话是：
我不了(le)解是什么力量(liàng)在推动地球的(de)鏇(xuán)转，但(dàn)我知道推动整個(gè)社会运转的(de)力量(liàng)是金钱。
它清高孤傲，睥睨寰宇，貓(māo)眼看世界，完全是一(yī)种上帝视角。
貓(māo)天生具有让人“敬畏”的(de)气质，它的(de)路线诡异，不可捉摸，你永远不知道它半夜去了(le)哪里。当你偶尔在黑夜里捕捉到它的(de)行踪，它回头对你的(de)冷眼一(yī)瞥，让人不寒而栗。
在那個(gè)神秘莫测的(de)微观世界里，那個(gè)号称高维世界的(de)投影，人类的(de)唯一(yī)领路人就是這(zhè)只貓(māo)。然而，薛(xuē)定谔的(de)這(zhè)只貓(māo)并不想让人类窥视更深邃的(de)微观世界。尽管在科学家眼中，那可能(néng)是通往更高维度的(de)大门。
這(zhè)只貓(māo)通过与哥本哈根派的(de)联盟，站在了(le)薛(xuē)定谔和爱因斯坦的(de)反(fǎn)对面。试图阻挡大统一(yī)理論(lùn)的(de)到来，掐断了(le)人类通向高维世界的(de)唯一(yī)线索。
這(zhè)只貓(māo)傲慢地说：
愚蠢的(de)人类，你們(men)并不属于這(zhè)里，快回到你們(men)的(de)低维度世界去！
不生不死(sǐ)的(de)貓(māo)已经够厉害了(le)。通往微观世界的(de)神兽也(yě)够生猛。
但(dàn)穿越多重世界的(de)貓(māo)，這(zhè)才是真正接近“上帝”般的(de)存在。在人类已知的(de)所有理論(lùn)里，能(néng)够穿越多重世界的(de)只有這(zhè)只貓(māo)，這(zhè)就是接近神一(yī)般的(de)存在。
今天，来自中国科学家的(de)研究成果，让這(zhè)只貓(māo)得以存活更久。這(zhè)在現(xiàn)实的(de)应用(yòng)方(fāng)面，将爲(wèi)原子(zi)磁力計(jì)、量(liàng)子(zi)信(xìn)息纠錯(cuò)以及探索新物理等开辟出新途径。
而在更宏观的(de)发展方(fāng)向上，则让人类对微观世界的(de)探索又往前迈进一(yī)大步。未来的(de)科学探索将不仅限于物质世界，更将扩展到更深層(céng)次的(de)量(liàng)子(zi)世界中。
由物理学家所引领的(de)人类，也(yě)将走向更高维度的(de)世界。
来源：量(liàng)子(zi)学派
版权声明
本文仅代表作者观点，不代表百度立场。
本文系作者授权百度百家发表，未经许可，不得转载。
