將薛定諤的貓這一著名的思想實現變為現實，實現宏觀的量子疊加態，可以讓我們更深刻地理解微觀世界與宏觀世界的邊界。

量子疊加、糾纏等超越日常生活經驗的量子特性已在微觀世界得到反復的實驗確認，在加深人們對自然規律理解的同時，也已成為量子信息技術的基礎。然而為何這些現象難以在宏觀世界觀測？

1935年薛定諤提出的“薛定諤的貓”——一只同時處于“死”與“活”的“量子貓“，很好地反映了將量子特性推廣至宏觀物體時可能帶來的困惑。現實中當然沒有既死又活的貓，那么宏觀物質怎樣體現量子性質？有些人會說量子力學不適用于宏觀物質，那么宏觀世界與微觀世界的邊界又在哪里？弄清這些問題的途徑之一是：著手去造一個處于量子疊加態的宏觀物體。

// 如何實現宏觀疊加態？

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事實上，物理學家早已成功制備出相對宏觀物質的疊加態，實現傳統思想實驗的薛定諤貓態，需要一個經典屬性與和一個微觀屬性糾纏。實驗思路大致如下，將兩個微觀量子特性，例如兩個原子能級、兩個自旋指向（記為上、下）等，作為薛定諤貓思想實驗中的衰變、未衰變原子；將兩個不同的宏觀特性，例如物體運動的兩種不同模式（記為a，b），作為貓的死、活；通過耦合兩種特性，可以實現如下演化：當微觀為上（下）時，宏觀為a（b）。根據薛定諤方程，如果將微觀特性制備為上與下的量子疊加態，那么演化將好似在兩個分支中并行進行（這樣形象的比喻類似于多世界詮釋，但我們并不真正清楚演化是如何發生的），最終形成“上a”與“下b”的兩個相干疊加的分支，可以觀測兩個分支的干涉確認宏觀特性確實處于量子疊加態。

從較早的單離子運動態薛定諤貓［1］開始，一系列越來越“大”的貓被制備出來。這里“大”有兩方面含義，一是指宏觀特性的分離尺度大。例如宏觀特性為空間位置時（根據量子力學，物體可同時處于不同空間位置），兩分支的空間距離大。近期的研究已利用冷原子制備了分離達半米的疊加態［2］，但該研究尚有爭議［3］。另一方面，是指宏觀特性的物質載體的質量大（戲稱為薛定諤的胖貓），例如原子團、大分子的空間疊加態［4］。在近期的一項工作中，研究人員聲稱制備出了生命體“水熊蟲”與一個超導量子比特的糾纏態［5］，即水熊蟲同時處于兩種不同狀態的宏觀疊加態。當然這一結果也受到了多方質疑［6］，也有人稱“很有希望獲得下一個搞笑諾貝爾獎”。

在宏觀尺度觀察到量子疊加，不僅在實驗上難以實現，在理論［7］上同樣是具有爭議的話題。目前主流觀點認為，宏觀物體與環境有更多耦合，由此帶來的退相干效應使得宏觀疊加態難以維持。也有觀點認為，標準量子力學只是一個更一般深刻理論的近似，在宏觀尺度下不再適用，而宏觀疊加態將會被跡動力學（Trace dynamics）或引力坍縮等假想效應破壞。至少目前，學界認為把薛定諤的貓“做大做胖”有助于探索這些未知領域。

// 宏觀機械振子的薛定諤貓態

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在“養育”薛定的胖貓時，一些物理學家另辟蹊徑，使用了機械振子（Mechanical oscillatror）。2021年Physics World十大突破之一［8-10］便是將兩個機械振子的運動模式糾纏起來，同時也實現了振子處于不同運動模式的疊加態。不同于原子、電子等微觀粒子，機械振子更接近宏觀物體，因為它本身就是由大量原子組成。例如研究［10］中100皮克（~1012個原子）的振子。研究這類物體的量子性質更有希望進一步認識量子與經典的邊界。

2023年4月刊登于Science的一項研究中［11］，研究人員成功地讓一個16微克（~1017個原子）的機械振子處在兩種運動狀態的量子疊加中，這是目前制備出的最“胖”的薛定諤的貓。

圖1 實驗裝置原理圖。振蕩晶體可處于不同的運動模式。它與超導量子比特（右下）通過壓電效應耦合起來|圖片來源：Yiwen Chu / ETH Zurich。

該項工作中，實驗裝置為互相耦合的一個高次諧波體聲波諧振器（high-overtone bulk acoustic-wave resonator， HBAR）與一個超導量子比特。振蕩晶體代表宏觀的貓，衰變超導量子比特代表衰變的原子。超導量子比特可以同時處于上、下兩個狀態，對應衰變、未衰變。振蕩晶體可處于不同的運動模式，例如頻率相同、相位相反的兩個振蕩模式a，b，分別表示死、活。

晶體的振蕩模式與量子比特的電場通過壓電效應耦合起來，也就是說，量子比特的電場與晶體振蕩所產生的電場耦合，前者量子態的改變會對應于晶體的運動（此時系統可由描述量子比特與聲子耦合的Jaynes-Cummings模型刻畫。）于是上、下的量子疊態加被映射到晶體的a，b振蕩模式的量子疊加，晶體同時處于兩種不同運動模式，即實現一只“又死又活的貓”。特別是由于振蕩相位相反，某一時刻晶體中的原子將同時處于振蕩最高點與振蕩最低點，這也是經典世界中見不到的現象。

為了驗證運動模式確實處于量子疊加態，不能直接“粗暴地”觀察晶體運動。因為這樣將以的概率得到a或b模式，不能判斷究竟是處于a， b量子疊加，還是“有幾次a，有幾次b”的經典混態。研究人員采用量子信息中的標準方法，對運動態進行量子態層析，即通過分別觀測各不對易的觀測量得到系統量子態的全部信息。結果不僅表明疊加態兩分支a，b是可分辨的不同運動態，也清楚地展示了由于兩分支的量子相干疊加帶來的相空間中干涉條紋。最終確認，被制備于薛定諤貓態的原子總質量約16.2微克，最大空間分離尺度約為2.1×10-18米。盡管該分離已小于一個原子的尺度，實驗依舊能夠將兩種運動模式分辨出來；而宏觀體現在處于疊加態的物體質量大（達到微克量級）。

另外，研究人員還通過調控操控場強度等方法，制備了一系列分離尺度不同的貓態，并且研究了它們的退相干行為。結果表明退相干速率隨著尺度的增加而增加，與理論預期相符。

// 一些展望

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顯然，對于宏觀量子特性的探索是一項“無盡的前沿”。在量子力學基礎方面，量子測量問題一直充滿爭議，部分原因在于其中涉及到了微觀量子系統與測量裝置（宏觀）、周圍環境間的糾纏，研究宏觀疊加態有助于理解上述問題；同時也有助于檢驗一些超越標準量子力學的理論。從量子技術角度看，未來實用化、大規模的量子計算機需要大量量子比特處于可控量子態，宏觀量子性的研究有望為此提供參考。同時類似的宏觀量子態有望應用于連續變量量子信息處理、量子糾錯、對引力波的量子傳感等領域。隨著該方向的進一步發展，未來有望制備質量、空間分離都較大的宏觀疊加態，這將有助于探索以引力為媒介的糾纏等量子引力現象［12］。

審核編輯 ：李倩