水熊蟲能真正實現薛定諤的貓？_風聞

近日在Quanta Magazine上刊載了一篇題為“How Big Can the Quantum World Be? Physicists Probe the Limits.”的文章[1]，文章中介紹了物理學家們就量子體系與經典體系邊界進行探索的進展，令人印象深刻的是研究者計劃利用生命體（水熊蟲）來製備量子相干態，一旦該方案成功將有可能達成物理學家們多年的夙願——真正實現薛定諤的貓。以下就這篇文章的內容邀請中國科學院物理研究所的宿非凡老師結合自身超導量子計算的研究背景進行介紹與解讀。

撰文 | 宿非凡（中國科學院物理研究所）

包括構建量子計算機在內的所有利用量子規律的實用化方案中，我們面臨的最大挑戰在於量子體系中的退相干。以超導量子計算為例，雖然在不到20年的時間內超導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，但是要實現更加通用的量子計算還需要更長更穩定的相干時間與狀態。進一步的，如果想要擴大量子計算機的規模，使其擁有數千、甚至數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係。

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家們關注的焦點。雙縫干涉現象是最典型的量子干涉現象，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，它的波函數將同時通過兩條狹縫併產生干涉，可是一旦在狹縫旁放置一台測量裝置來測量每個粒子是否穿過這裏，干涉條紋就會消失。引入測量之後，粒子的波函數似乎喪失了相干性，也就是發生了所謂的退相干。退相干後初始體系中的疊加性消失了，或者説這個體系的量子特性隨之消失了，系統從量子的轉化為經典的。馮·諾伊曼（John von Neumann）在20世紀30年代提出了一種被廣泛接受的“權宜之計”用以解釋量子體系波函數中概率的性質經測量得到確定結果的過程，他將上述過程稱為“波函數的坍縮”。波函數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衝突，但是需要注意的是波函數坍縮的觀點本身並沒有指明“坍縮”機制背後的物理。隨着技術的進步與理論上的不斷探索，物理學家們發現量子系統的退相干源於量子系統與測量儀器、環境的相互作用，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微米的漂浮塵埃顆粒相距約10微米的兩處位置疊加態由於與周圍環境的相互作用其將在10-31秒內退相干，如此之短的時間我們基本無法測量，更不用説憑人的感官而感知了。而超導量子比特在該方面的顯著進步則可以説明通過巧妙的測量設計和精細的環境淨化可以提高實驗中量子系統的退相干時間，同時在某種意義上也給了人們弄清量子退相干本質的希望。

雖然人們已經取得了很多進展，但是要進一步提升量子系統的退相干時間需要從理論上取得突破。劃定薛定諤方程統治的量子領域與牛頓定律統治的經典領域之間的邊界是物理學中尚未解決的問題之一 (圖1為關於量子世界與經典世界邊界一個有趣的示意圖)，物理學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，目前物理學家們已經可以實現原子、亞原子粒子以及光子的疊加態。雖然隨着研究體系的增大，體系受到可破壞疊加態的相互作用就越多，維持疊加態的難度也會增加，但可觀測到疊加態的系統尺度仍在穩步增大。該研究領域的資深物理學家、奧地利University of Innsbruck的Oriol Romero-Isart相信在未來幾年裏也許能搞清楚退相干的本質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與維也納大學的Markus Aspelmeyer和瑞士蘇黎世聯邦理工學院（Federal Institute of Technology Zurich）的Lukas Novotny、Romain Quidant 團隊合作開展了Q-Xtreme項目，目前該項目已經成功的實現了對直徑100-140納米體系的研究，令人欣喜的是他們已經研究了生物分子的相干性（短桿菌肽A1的天然多肽）並獲得了良好的效果。

Romero-Isart設想：下一步可利用光束聚焦於一點形成一個“光阱”，將病毒等微小的生命體定於特定位置後通過特定的方法將其製備成兩種振動狀態的疊加，尋找它們之間的干涉。他們甚至計劃利用一種體長約一毫米的緩步動物（水熊蟲）進行實驗，水熊蟲生命力非常頑強，頑強到可以暴露在外太空中存活數日，也就是説將其放入超高真空的實驗環境中後其可以保持存活，進而滿足人們對生命體量子疊加態的研究需求。一旦這一計劃成功，物理學家們將能製備“與薛定諤的貓意義十分相近的量子疊加態”，實現物理學多年的夙願。

劃定薛定諤方程統治的量子領域與牛頓定律統治的經典領域之間的邊界是物理學中尚未解決的問題之一。

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

參考文獻

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

本文經授權轉載自微信公眾號“物理與工程”，原題目為《量子、水熊蟲、薛定諤的貓》。