现实版薛定谔猫探测量子边界

编译 思羽

近期的实验已经使得相对较大的物体进入量子态，从而阐明了普通世界从量子世界中出现的过程。

薛定谔的猫从来都不是非常可爱，最近的小猫也不例外。超冷原子团或微观硅条的图像不太可能在互联网上呈现病毒式散播。尽管如此，这些不平常的物体还是值得留心，因为它们史无前例地清楚显示出，量子力学不仅仅是属于极端小物体的物理学。

大致说来，“薛定谔的小猫”是尺寸上介于原子尺度和著名的“薛定谔猫”之间的物体。量子力学最初被发展出来就是为了描述原子尺度的现象，而埃尔温·薛定谔借助那只猫来强调量子力学似乎隐含着明显的荒谬性。这些系统是“介观的”——大约是病毒或细菌的尺寸，由数以千计或者甚至数十亿个原子构成，从而比通常出现反直觉的量子力学性质的典型尺度大得多。它们被用来探索以下问题：在仍然保有量子力学性质的前提下，你可以把尺度放到多大？

用最新的研究结果来判断的话，答案是“非常大”。两种截然不同的实验（两种实验都由多个团队独立完成）已经显示：大量原子可以被置于集体量子态，我们对其无法明确地说系统有着某一套性质。在一组实验中，这意味着“纠缠”一团冷原子的两块区域，使得它们的性质互相依赖，彼此相干，两者的关系似乎根本无视它们在空间上的分离。在另一组实验中，振动中的微观物体受到操纵，进入所谓的叠加振动态。著名的薛定谔猫躲藏在盒子里，据说存在于生存与死亡的叠加态中，上述两组实验的结果都大体上与这种存在于叠加态的方式类似。

自从量子理论在20世纪初叶产生起，一个问题一直让科学家们困惑不已。在经典力学中，物体具有定义明确的性质、位置和路径。量子力学的规则要如何转变成与之截然不同的经典力学规则呢？经典力学研究的大物体和量子力学研究的微小物体之间，是否存在某种根本性的区别呢？薛定谔的思想实验以标志性的方式突出强调了这个被称为“量子-经典过渡”的谜题。

可怜的薛定谔猫是一只遭到误解甚多的生物。薛定谔的观点并非像人们经常暗示的那样，是要强调量子力学假如被外推至平常尺度时的显而易见的荒谬性。薛定谔猫是薛定谔和阿尔伯特·爱因斯坦之间通信的产物，发生在爱因斯坦批评丹麦物理学家尼尔斯·玻尔和同事拥护的量子力学诠释之后。

玻尔主张，量子力学似乎迫使我们做出结论，即电子之类的量子物体的性质在我们测量之前没有明确定义的值。在爱因斯坦看来，这种说法很疯狂，现实中的一些元素竟然要依赖人类意识的干预来令它成为现实存在。1935年，爱因斯坦和两位比他年轻的同事鲍里斯·波多尔斯基、纳森·罗森一起，提出一项思想实验，它似乎能让玻尔支持的量子力学诠释变成不可能。（这份研究工作如今被称为EPR佯谬。）他们三人注意到，粒子可以在规定它们必须彼此相干的状态下被创造出来，这样在某种程度上，假如一个粒子的某个性质拥有一项特定的值，那么另一个粒子必定拥有另外的某一个特定值。在两个电子的情况下，单个电子拥有一项名叫自旋的性质，一个电子的自旋可能指向“上方”，而另一个电子的自旋指向“下方”。

那样的话，根据爱因斯坦与同事们的说法，假如玻尔是对的，自旋的实际方向在测量之前尚未确定，那么两个电子自旋的相干性意味着测量一个电子的自旋就立刻确定了另一个电子自旋的方向——无论那个粒子离得有多远。爱因斯坦称呼这种明显的关联是“鬼魅的超距作用”。但这样的现象应该不可能实现，因为爱因斯坦的狭义相对论显示，没有哪种影响能够传播得比光更快。

薛定谔称呼这种粒子之间的相干性为“纠缠”。从20世纪70年代起，实验已经表明量子纠缠是一种真实的量子现象。但这并不意味着量子能以某种方式通过爱因斯坦口中的“鬼魅作用”，跨越空间即刻影响另一个粒子。更确切的说法是，单个粒子的量子性质不是必然限定于空间中的某个确定位置，而是“非局部的”：只有它与其他某处的另一个粒子的相对关系是完全明确的，这种方式似乎颠覆了我们对空间和距离的直觉观念。

薛定谔猫脱胎自他对于EPR纠缠的怪异性的沉思。薛定谔想要表明，假如我们幻想地将纠缠扩大到平常尺度，玻尔的“在测量之前，没有什么是确定的”观念可能怎样地导致逻辑上的荒谬。他的思想实验将一只不幸的猫咪置于一只密封的盒子里，同时放上一小瓶致命的毒药，某套机械装置可以打破小瓶子，而该装置与一个量子粒子或量子事件有关联（实际上，是存在纠缠）。触发事件可能来自一个电子，假如它的自旋向上就打破小瓶子，但假如它的自旋向下，就不打破小瓶子。接着，你可以准备一个所谓的叠加态中的电子，在这种状态下，向上的自旋和向下的自旋都是一次测量的可能结果。但是，假如自旋在测量之前是未确定的，那么猫咪的状态肯定也是如此——你无法意有所指地说猫咪是活着还是死了。而那肯定是无意义的。

薛定谔的论点不只是量子力学的规则被应用到平常尺度时，会导向明显的胡说八道——你并不需要一只猫就能展现这一点。更确切地说，他想要找到一个极端的证明，论证推迟对一个确定状态（生存或死亡）的分配，延后到实施测量（通过打开盒子后观察）之时，这种做法可能导出一些看起来不仅古怪，而且违背逻辑的隐含意味。

对于玻尔而言，这看起来像是无效的情况——譬如打开盒子观察猫这种测量动作在他看来永远是宏观行为，从而是种经典力学的步骤，所以量子力学的规则不再适用。然而，测量要如何确保从量子力学到经典力学的魔幻转变？

与其就此争辩，为什么不去做个实验呢？麻烦之处在于，薛定谔通过想象一只猫与某种原子尺度事件耦合，令它“量子”化，这是可以接受的，但是，我们完全还不清楚，我们要如何——其实是能否——将这种做法扩大尺度，在现实中实施，或者用量子态来表示的话，生存和死亡的叠加态实际上能够意味着什么。

然而，运用现代技术之后，我们能想象创造出相对较大物体——不像猫咪那么大，但是比单个原子要大得多——定义良好的量子叠加态，再探测它们的性质。那些要创造出“薛定谔小猫”（Schrdinger’s kittens）的努力就是这么回事。

这些10微米长的硅梁被用来产生一种具备量子力学效应，但尺寸接近宏观物体的结合体

“许多物理学家其实并不期待在大尺度上获得任何意外结果，”荷兰代尔夫特理工大学的西蒙·格罗布拉切（Simon Gr blacher）说，“但我们完全不知道，如果你开始用大约1023数量级的原子来营造量子态，会发生些什么。”1023数量级的原子正是平常物体的典型尺度。

新的实验表明，不管薛定谔怎么想，相对较大的物体确实能展现出反直觉的量子行为。

格罗布拉切与同事们一起创造了硅材质的微型梁，每根梁有10微米长，横断面是1微米宽，0.25微米高。每根梁上都些洞眼，会吸收和俘获红外激光。研究者接着用叠加路径发出的激光来激发那些梁，每一条路径对应一根梁。通过这种做法，研究者能够让两根梁彼此纠缠，进入单个的量子振动态。你可以将这一幕想象成两只彼此纠缠的猫的极小版本。

在同一期《自然》杂志中，与格罗布拉切团队的研究一起出现的另一篇论文报道了机械振荡器之间的另一类纠缠，作者是芬兰阿尔托大学的米卡·西兰佩（Mika Sillanp）与同事们。他们以一条超导线令两片微小的鼓面状金属片耦合。超导线能容纳以微波频率（约为每秒50亿次振动）振荡的电流；它的电磁场对振动的金属片施加压力。“电磁场充当了介质，迫使两片鼓面状金属片进入彼此纠缠的量子态。”西兰佩说。

科研人员长久以来一直试图在这样的“大型”微机械振荡器（在这些振荡器中有数十亿个原子）中实现诸如叠加和纠缠的量子效应。西兰佩说：“从20世纪70年代后期起，机械振荡器的纠缠状态就得到了理论上的探讨，但直到最近几年，才可以在技术上生成这样的纠缠态。”

通常，由量子力学规则支配的物体组成大型物体，并变成服从经典物理学的物体，这儿存在一个转变过程。上述的那些实验令人叫绝的地方在于，它们避开了这个过程。这个过程看上去提供了测量谜题的缺失部分（至少是大部分），那正是当年玻尔表达得含糊不清、令人气恼的地方。

它被称为退相干——而且相当绝妙地，它完全与纠缠有关。根据量子力学理论，纠缠是两个量子物体之间的任何相互作用的无可避免的结果。所以，假如一个物体——比方说一只猫——开始处于某个叠加态，那个叠加——你可以称为量子性——随着物体与环境的相互作用而扩散，变得越来越与环境相纠缠。但假如你想要实际地观察那个叠加的话，你会需要推导出所有相纠缠粒子的量子行为。这很快就变得不可能，正如不可能在一滴墨水分散于一个游泳池时追踪墨水中所有的原子。因为与环境的相互作用，最初的粒子的量子性质逐渐消失并消散，这就是退相干。

量子理论学家早已表明，退相干引起了经典物理学中见到的那种行为。实验学家已经在能控制退相干比率的实验中证明了它的存在，随着退相干的进行，诸如粒子波状干涉的典型量子效应逐渐消失。

那么，退相干是当前对“量子-经典过渡”的理解的核心。一个物体展现量子行为（譬如干涉、叠加和纠缠引起的相干）的能力与它有多大无关。恰恰相反地，它依赖于物体与环境的纠缠程度。

不过，尺寸大小通常起到很大的影响，因为物体越大，它也就越有可能变得与环境纠缠并退相干。像猫咪这样温暖、不安分的大型物体不会有留在任何类型的量子力学叠加态中的希望，几乎立刻就会退相干。

假如你只是把一只猫留在盒子里，将它的命运与某个量子事件的结果联系起来，你很可能不会将它置于生存与死亡的叠加态，因为退相干会即刻迫使她进入其中一种状态。假如你能免除猫与环境的所有相互作用（又没有在超冷真空中杀死猫！）而抑制退相干的话，那么就是另一种可能，争论可以继续下去。几乎无法想象如何要对一只猫达成这一点。但是，那本质上就是格罗布拉切和西兰佩各自的团队对他们的微型振荡器所实现的事情。

我们不用由上至下地研究“量子-经典”的边界，而是看一下我们是否在一个振动物体足够小的前提下，赋予它量子性，我们这样能由下至上地攻克这个难题。因为我们知道叠加和干涉这样的量子效应能毫无困难地在单个原子、甚至是小型分子上见到，我们也许会寻思，随着我们不停地添加原子，那些量子效应能维持到什么地步。现在已经有三支团队探究了这个问题，他们成功地让数量最高达到数万个超冷原子的原子团进入量子态，方法是让它们在一种名叫玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）的状态下相互纠缠。

爱因斯坦和印度物理学家萨特延德拉·玻色（Satyendra Nath Bose）指出，这样的状态也许存在于玻色子（以玻色的名字来命名，是两类普通的基本粒子之一）中。在玻色-爱因斯坦凝聚态下，所有粒子都处于相同的单个量子态，这就意味着实际上它们表现得像一个大型量子物体。因为它是量子效应，所以玻色-爱因斯坦凝聚只发生于非常低的温度下，仅在最纯净的形式（一团玻色粒子）下见得到。在1995年的那次发现中，铷原子被冷却至比绝对零度只高了区区几十亿分之一度的温度。

西蒙·格罗布拉切是荷兰代尔夫特理工大学的一位物理学家，他将固体硅梁置于特殊状态，令它们彼此纠缠

用这些超冷原子生成的玻色-爱因斯坦凝聚已经给予物理学家一种探究量子现象的新手段。在过去，研究者已经表明，这样的原子团——大概有数千个原子——能被置于某种状态中，让所有原子都量子纠缠在一起。

德国汉诺威莱布尼茨大学的卡斯滕·克伦普特（Carsten Klempt）说，严格来说，这些并非“薛定谔的小猫”。“薛定谔的小猫”一般被定义为截然不同的状态的叠加：比如说，所有都是向上的自旋的状态，所有都是向下的自旋的状态（类似于“生存”和“死亡”）。这些彼此纠缠的原子团的情况并非如此。尽管这样，他们依然在相当大的尺度上表现出量子行为。

然而，它们是EPR类型纠缠的“小猫版尺度”具身化的这种想法有着一项更为重要的限制。原子在空间中全部混杂在一起，一模一样，难以区分。这意味着，就算它们相互纠缠了，你也无法见到这种纠缠以“此地一物体与彼处一物体的性质之间的相干”形式表达出来。“超冷原子的玻色-爱因斯坦凝聚包括大批难以区分的原子，在任何物理观测中简直一模一样。”克伦普特说，“因此，纠缠的原始定义（按照EPR思想实验中描绘的那样）在这些原子中无法实现。”实际上，“难以区分的粒子之间的纠缠”整个概念曾经存在理论上的争议。“那是因为纠缠的概念要求可以去定义（明显不同的）彼此纠缠的子系统。”德国海德堡大学的菲利普·孔克尔（Philipp Kunkel）说。

如今，汉诺威的克伦普特团队、马库斯·奥勃特哈勒（Markus Oberthaler）领导下的海德堡的孔克尔团队、瑞士巴塞尔大学的菲利普·特罗伊特莱因（Philipp Treutlein）领导的团队分别进行的三项实验展示了一类更加清楚的纠缠，与EPR思想实验中空间分离的粒子完全相似。特罗伊特莱因说：“当在这样空间分离的系统中观察到纠缠，与经典物理学的冲突变得格外惹人瞩目。这就是1935年的EPR论文所考虑的情形。”

三支团队使用了被置于电磁俘获场的、由数百个到数千个铷原子构成的原子团。电磁场要么由“原子芯片”上的微观装置生成，或者由交叉的激光束产生。研究者采用红外激光去激发原子自旋中的量子跃迁，寻找自旋值之间的相干，它们就是揭示纠缠的迹象。海德堡和巴塞尔的研究团队对付的是单个大型原子团中的两块不同区域，而克伦普特团队实际上往中间插入一块空旷空间区域，分裂了原子团。

巴塞尔和海德堡的研究团队通过一项名叫“量子导引”的效应展示了纠缠，其中利用了两块纠缠区域明显的相互依赖特性，于是对一块区域进行测量允许研究者预测另一块区域的测量值。“导引这个说法是薛定谔引进的。”特罗伊特莱因解释说，“它指的是以下事实，视区域A的测量结果而定，我们用来描述系统B的量子态会变化。”但这不表示A与B之间存在任何即刻的信息传输或通信。“无法用决定论的方式去导引遥远系统的状态，因为测量结果仍然是或然的。”孔克尔说，“不存在必然导致什么的影响。”

这些结果“令人兴奋”，柏林自由大学的延斯·艾泽特（Jens Eisert）如此说，他并未参与这些研究工作。“原子蒸汽中的纠缠在很久以前产生过了，”他说，“但这儿不同的地方在于这些系统中的可定址性和控制的水平。”

除了更清楚地展示存在于空间分离区域之间的纠缠，这样的实验方式还有一个实际的优点：你在量子信息处理时能够个别处理相分离的区域。“原则上，甚至在BEC态中，都不可能处理个别的原子却不影响所有其他的原子，假如它们都在同个地点的话。”特罗伊特莱因说，“然而，假如我们能个别地处理两块空间分离的区域，纠缠就变得能用于量子信息任务，譬如量子遥传或者纠缠交换。”他补充道，然而那样就会要求原子团的物理区隔的程度提高，超过当前实验中实现的程度。克伦普特说，理论上，你会将原子团进一步分隔成一个个可定址的原子。

米卡·西兰佩是芬兰阿尔托大学的一位物理学家，他令小型的鼓面状金属片彼此纠缠

这样的“大型”量子物体也许还能让我们能够探测新的物理学：比如说，去搞明白引力开始变成对于量子行为的重要影响时都发生了什么。“有了这种控制和操纵大型纠缠态的新方法，就有机会进行引力理论中量子效应的复杂测试。”艾泽特说。譬如说，已经有人提出，引力效应也许引发了量子态到经典态的物理坍塌，原则上来讲，这个想法经得起有关叠加或大质量物体纠缠态的实验的检验。特罗伊特莱因说，测试物理坍塌模型的一种方式要用到不同的源自“物质波”之间的干涉——他还补充说，他的团队所生成的分裂的、纠缠的BEC能充当这样的原子干涉仪。“大多数物理学家大概不会期待量子物理学随着系统尺寸的增加而突然取得突破。”克伦普特说。但孔克尔补充说，“能够彼此纠缠的物体的尺寸是否存在基本的极限，这仍然是个从实验和理论角度来说都未有定论的问题。”

“最有趣的问题是，假如存在某种基本尺寸，到达那个尺寸，就在某些程度上无法实现纠缠。”西兰佩说，“那会意味着，除了正常的量子力学，还有别的东西介入进来，譬如说，可能是由引力引发的坍塌。”假如引力确实扮演重要角色，对于如何发展出能将当前不相容的量子力学理论和广义相对论统一起来的量子引力理论，它也许能提供一些线索。

那会是“薛定谔的小猫”的一大妙举。就目前而言，它们强化了大家普遍相信的观念：量子行为没什么特别的，除了事实上量子行为将自身织造成更加混乱的猫之摇篮，而我们的经典物理之网就出自于其中。而且在这个过程中，也无须杀掉哪只猫。

资料来源 Quanta Magazine