Schrödinger的小猫能有多大?

我现在是我们重新思考量子理论的时候了。理论本身并没有什么问题，它在理解原子和亚原子粒子的行为方面非常有效。

问题是我们如何说话关于量子理论。我们一直坚持认为这很奇怪:波变成了粒子，物体同时处于两个地方(或两种状态)，在一定距离内的怪异行为，诸如此类的事情。给科学家用来理解世界的理论披上神秘的外衣，这难道不是反常的吗?

这个问题的一部分是，日常物体是离散的，局部的，明确的，所以，与量子物体非常不同。但为什么会这样呢?为什么我们的日常世界总是“这个或那个”，而从来没有“这个”和”吗?为什么当物体变大时，量子物理学会变成经典物理学，受到艾萨克·牛顿三个多世纪前写下的定律的支配?

这种转换被称为量子经典跃迁，它困扰了科学家们几十年。我们仍然没有完全理解它。但在过去的20多年里，新的实验技术将这种转变推向了更大的规模。大多数科学家一致认为，技术上的困难会阻止我们将一个篮球，甚至一个人，同时放在两个地方。但是，对量子经典跃迁的新理解也表明，原则上没有什么东西禁止它——没有宇宙审查将我们的“正常”世界与潜伏在它下面的“怪异”世界分开。换句话说，量子世界可能根本就没那么奇怪。

我想象一下，一台坏掉的烘干机吐出一双不相配的袜子。它们是互补的对比:如果一个是红色的，另一个是绿色的。或者，如果一个是白人，另一个是黑人，以此类推。我们不知道这些选项中会有哪一个，直到我们去看做要知道，如果我们发现一个是红色的，我们可以确定另一个是绿色的。无论实际的颜色是什么，它们都是相互关联的。

现在想象一下这台机器的量子力学版本。根据尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)、维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)及其合作者在20世纪20年代中期提出的量子力学哥本哈根解释，在相关状态下(一种颜色与另一种颜色相连)的量子袜子实际上没有任何固定的颜色，直到我们观察。看着一只量子袜子的行为决定了另一个的颜色。如果我们朝一个方向看，第一只袜子可能是红色的(而另一只则是绿色的)。如果我们看另一个，一个是白色的(另一个是黑色的)。

粗略地说，在这些相关的双袜子中，袜子的颜色是远远超出袜子本身的特征。给定袜子的颜色不是本地的，也就是说，不包含在这只袜子的属性中。这两种颜色据说是纠缠彼此。

退相干会消除不和谐。量子现象被转换成遵守经典规则的现象。

物理学家欧文Schrödinger将纠缠描述为量子行为的关键，并利用它构建了一个著名的悖论。故事开始于Schrödinger想象的一只不幸的猫被困在一个盒子里，某个量子事件的结果释放了一种致命的毒药。因为这个事件是量子的，它可能处于物理学家所说的叠加态:既触发了毒物释放，又不触发。

这些叠加对于像原子这样的微小物体来说并不罕见，因为它们牢牢地处于量子领域。但是，由于薛定谔将这一事件与一只大猫纠缠在一起，结果得出了一个自相矛盾的结论，即猫既被杀，也没有被杀。

对于这个悖论，传统的解决方法是，在一个叠加态上进行测量，比如活死的猫，迫使做出选择，因此叠加会使猫——实际上是整个宇宙——陷入一种或另一种状态:猫要么死，要么活，但不是两种状态都有。在这种观点下，我们永远看不到活猫。

但在我们看之前，那只猫是什么状态?根据哥本哈根的解释，这个问题没有任何意义。它坚持认为，现实是我们可以观察和衡量的东西，对事物是什么感到好奇是没有意义的真的就像在我们进行这些观察之前一样。

其他人，尤其是著名的阿尔伯特·爱因斯坦，不能接受这一点。他们坚持经典的“现实主义”观点，认为无论我们看不看，任何事物都有特定的、客观的属性。爱因斯坦和他的两位年轻同事鲍里斯·波多斯基(Boris Podolsky)和内森·罗森(Nathan Rosen)提出了一个版本的“量子干燥机”思想实验，试图证明量子理论是如何导致一个悖论的，即在一个地方测量会立即影响到另一个地方的物体。但在20世纪80年代，对激光光子的测量表明，纠缠确实是这样工作的——不是因为“比光快”的通信，而是因为量子特性可以真正是非局域的，分布在多个粒子上。

从那以后，实验人员一直致力于建造更大的量子物体，它们与原子相比大，但与真正的猫相比小。它们通常被称为“Schrödinger的小猫”，而且它们正在迅速长大。

O这些“小猫”变成“猫”的关键在于学会如何保持量子相干性，或者粗略地说，是波状量子粒子的峰值和波谷保持同步的能力。随着量子态的演化，它会与环境纠缠在一起，量子相干性会泄露到周围环境中。人们可能会很粗略地把它想象成有点像热物体中的热量消散到周围较冷环境中的方式。

另一种思考方式是，信息变得越来越本地化。量子系统的关键在于，非局域相关意味着你不能通过测量某个部分来了解它的一切。总有一些剩余的无知。相比之下，一旦我们确定了袜子是红色还是绿色，就不知道它是什么颜色了。新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的Wojciech Zurek为测量仪器的状态确定后仍然存在的无知制定了一个表述，他称之为量子不和谐。对于经典系统，不和谐是零。如果它大于零，系统就有一定的量子性。

消相干消除不和。量子现象被转化为遵循经典规则的现象:没有叠加，没有纠缠，没有非定域性，所有事物都有一个时间和地点。

那么，在退相干开始破坏量子系统之前，量子系统能达到多大?自从20世纪20年代末对电子干涉的开创性观察以来，我们已经知道像电子这样的非常小的粒子可以表现为相干量子波。不久之后，整个原子的波状特性被证明了。但直到20世纪90年代，当创造相干“物质波”成为可能时，原子和分子才被观测到量子波干涉。

退相干和粗粒度测量为经典世界提供了两条互补的路径。

在仍然受到干扰的情况下，这些物质块能达到多大?1999年，维也纳大学的一个由Anton Zeilinger和Markus Arndt领导的研究小组编组了60个碳原子的富勒烯(C₆₀)变成一束，让它通过一个由陶瓷氮化硅制成的、间隔100纳米的狭缝光栅，然后在远端的检测到干涉图样。Arndt和他的同事们现在已经证明，这种量子波性在包含430个原子、直径达6纳米的特制有机分子中依然存在:在电子显微镜下很容易就能看到，与小蛋白质的大小相当。干涉图样可以通过退相干而消除:当研究人员让气体进入仪器时，它们就消失了，增加了分子与环境的相互作用。

因为这种干涉依赖于处于叠加态的分子——实际上，每个分子一次通过不止一个狭缝——分子可以被认为是Schrödinger分子的小猫。不过，它们仍然很小，显然已经不是活物了。是否有可能扩大生命的规模，使之成为可能——例如，在“Schrödinger的病毒”中寻找干扰?

这个想法是由德国加兴马克斯普朗克量子光学研究所的伊格纳西奥·Cirac和Oriol Romero-Isart提出的。他们概述了一种实验方法，不仅可以为病毒(大小约为100纳米或更多)准备叠加态，还可以为极端顽强的微生物，如缓步动物或水熊(大小可达1毫米左右)准备叠加态。这些物体将被悬浮在一个由强激光场构成的光学陷阱中，然后在捕获力场中诱导成它们的振动状态的叠加(就像在碗底来回滚动的球)。缓步动物已经被证明可以在宇宙飞船外部生存，因此可能能够经受住像这样的高真空实验的严格考验。然而，到目前为止，这还只是一个提议。

然而，我们已经知道，足够大的物体可以用肉眼看到，可以放置在纠缠阶段。牛津大学物理学家伊恩·沃姆斯利(Ian Walmsley)领导的一个团队在2011年实现了这一目标，他们使用激光脉冲激发两个直径3毫米、间距15厘米的钻石晶体的纠缠量子振动(声子)。每个声子的相干振动约为10¹⁶原子，对应于约0.05×0.25毫米的晶体区域。为了创造叠加，研究人员首先使用分束器将激光光子置于纠缠态，以相同的概率将其发送到任一钻石。只要它们没有探测到这条路径，光子就会在两个晶体中产生纠缠振动。当一个声子被激发时，它会发出一个次级光子，研究人员可以在不知道它来自哪个晶体的情况下探测到这个光子。在这种情况下，声子必须被认为是非局域的，从某种意义上说，它包含了两种钻石。

在相对较大的系统中观察量子效应的另一种方法是研究非常小的弹性结构的振动，比如纳米尺度的悬臂梁和其他“纳米机械谐振器”。在分子的尺度上，振动是量子化的:它们只能在明确的频率下发生，或者在这些允许的量子态的混合叠加中发生。纳米机械谐振器也足够小和轻，理论上可以有可区分的量化振动状态。读取共振元件振动状态的理想方法是将其机械运动和光耦合，这种方法称为光力学。在最简单的形式中，这可能涉及到制造一个光可以在镜子之间来回反射的房间，其中一个镜子连接到弹簧上，这样它就可以振荡。

现在有几个小组已经证明了这种纳米级光机械系统的量子行为。例如，位于科罗拉多州博尔德市的国家标准与技术研究所的约翰·特费尔（John Teufel）和他的同事们使用了一个100纳米厚、15微米（μm）宽的鼓状铝膜作为谐振器，与微波频率腔耦合，而位于帕萨迪纳的加州理工学院的Oskar Painter和同事们则使用了一根15微米长、横截面为600×100纳米、两端夹紧的薄硅束。你需要一台显微镜才能看到这些物体，但它们与分子相比是巨大的。为了确保振荡器保持在单一的、能量最低的振动状态，两个小组都使用低温技术将设备冷却到接近绝对零度，然后使用激光束或微波进一步降低温度。

如果你想在这些谐振器中产生叠加和纠缠等量子效应，你需要能够控制它们的量子行为。其中一种方法是将谐振子与一个可以随意切换状态的量子物体配对，比如用于建造量子计算机的双态“量子位”。加州大学圣巴巴拉分校的安德鲁·克莱兰德和他的同事们通过氮化铝的微观薄片实现了这一点。其他人则希望在叠加态中准备振子，然后观察它们如何在与环境纠缠时脱离这里:中等大小的Schrödinger小猫在虚空中跳跃。

我如果我们能完全抑制退相干，我们能得到完整尺寸的Schrödinger猫吗?事情可能没那么简单。这是因为，要知道你做了一个，你必须看一看。当然，将一个系统与测量仪器纠缠在一起的行为本身可能会在这里解题——但问题可能比这更严重。目前在加兴马克斯普朗克量子光学研究所工作的物理学家约翰内斯·科弗勒(Johannes Kofler)和维也纳大学(University of Vienna)的卡斯拉夫·布鲁克纳(Caslav Brukner)在2007年提出，即使在没有消相干的情况下，通过实验研究大型量子系统也可能导致经典行为的出现。测量本身可以把量子多重性变成经典的唯一性。

Kofler和Brukner说，这是因为测量不可能无限精确。参数是经常在教科书实验的极限分辨率阻止我们能够看到在宏观系统量子离散性:因为离散能量状态得到更紧密随着系统规模的增加,他们似乎模糊的连续能量,我们认为,说,一个移动的网球。但这并不是网球“经典”的唯一原因，因为它实际上并没有消除物体的量子化——例如，网球速度的叠加。

Kofler Brukner表明,当测量”粗粒度的,“所以决议不足以区分几个紧密间隔的一个非常大的系统的量子态,量子力学方程描述如何演化在时间陷入艾萨克·牛顿的经典力学方程设计了。“我们可以严格地证明，在粗粒度测量下，多粒子状态的纠缠或非局域特征被洗掉了，”布鲁克纳说。当测量变得模糊时，经典物理学从量子物理学中浮现出来，就像“大”系统总是必须的那样:一个由许多粒子组成的具有许多可能状态的系统。

一些研究人员认为，从视网膜发送到大脑的神经信号中可能存在重叠，因此短暂的“感知重叠”是可能的。

这个论点并不是无懈可击的:在理论上(尽管在实践中非常困难)可以创造一种奇异的情况，在这种情况下，对系统某些属性的粗粒度测量并不能确保经典性。但是韩国首尔国立大学的Hyunseok Jeong和他的合作者已经证明，即使在这里，测量的一个方面也会破坏量子行为。除了一些不可避免的模糊什么郑说，我们衡量，也有一定程度的模糊性当和在哪里我们测量，他称之为测量参考。这也有使量子系统表现得像经典系统的效果。

Kofler说，消相干和粗粒度的测量提供了两个互补的路线到经典世界。“如果你有足够强的退相干，你就会得到独立于测量值的经典性，”他说。“如果你采用粗粒度测量，你就能获得独立于与环境交互作用的经典。”

这张照片为Schrödinger的猫拼图提供了一个惊人的解决方案。Brukner说，我们永远无法在活死叠加中看到它，不是因为它不能这样存在，也不是因为退相干，而是因为，嗯，我们实际上不能看到它。“即使有人在我们面前准备一个Schrödinger-cat状态，在没有足够精确的工具的情况下，我们也无法公开它。”也就是说，我们对猫所做的任何测量都不会显示出任何不能用经典图片来解释的东西。即使对光机械装置的振荡器来说，检测真正的叠加态也将是一项挑战，涉及的位置差异仅为ångstrøm(10)的几分之一^－10米)。正因为如此，“在真实的实验中验证这些想法相当具有挑战性，”郑承认。即便如此，他乐观地补充道:“我希望在不久的将来看到我的想法在实验室得到验证。”

对于为什么退相干不是量子经典跃迁的全部解释，还有其他的争论。在20世纪80年代和90年代，著名的数学物理学家Roger Penrose和独立的匈牙利物理学家Lajos Diósi提出，机械系统的量子行为可能也会被引力破坏。如果是这样，那就意味着经典行为一定会在一定的质量极限下表现出来，即使你可以完全抑制退相干——因为没有任何东西可以躲避重力。当一个物体通过重力“感知”另一个物体的位置时，就相当于一种可以破坏量子相干的测量方法。

维也纳大学(University of Vienna)的马库斯·阿斯佩尔梅耶(Markus Aspelmeyer)和加州大学圣巴巴拉分校(University of California at Santa Barbara)的德克·鲍姆梅斯特(Dirk Bouwmeester)等研究人员希望利用光学力学来测试这种消相干。在这些提议中，阿斯佩尔梅耶和他的同事们想要在零重力的空间卫星上进行一项名为MAQRO的实验，他们可以非常灵敏地探测直径约100纳米(在量子术语中是巨大的)粒子自由落体时的物质波干涉。一些理论，如彭罗斯和Diósi的引力塌缩理论，预测对于足够大的粒子，干涉应该消失。

最近，汉堡大学(University of Hamburg)的物理学家罗曼·施纳贝尔(Roman Schnabel)提出了另一个重力诱导退相干的实验测试。它将涉及两个大镜子，每个重100克，并附在弹簧上，让它们振荡，它们会与在它们之间反弹的光束纠缠在一起，这样光线中的纠缠(相对容易安排)就可以转化为两个镜子的纠缠。通过关掉灯，观察镜子在接下来的几微秒内振荡的演变，就有可能寻找它们之间的量子关联，并寻找因引力效应而超出标准量子理论预测的退相干率的偏差。

T毫无疑问，严格的量子力学效应可以在宏观尺度上看到:超流体，即一种没有粘性的超冷流体流动，以及超导，即一种材料携带一种没有阻力的电流，都是这样的例子。从某种意义上说，我们经历的几乎所有事情，从视觉到物体的坚固性，都依赖于只有量子物理学才能解释的效应。

但在我们看来，量子物理的真正特性（纠缠和叠加，或者换句话说，保持量子不和谐）是另一回事。我们可能不需要将这些效应放大才能看到它们：人类的眼睛只能记录三个左右的光子，伊利诺伊大学香槟分校的物理学家希望找出大脑如何对叠加或纠缠状态下的光子做出反应。一些研究人员认为，这种叠加可能会持续存在于从视网膜发送到大脑的神经信号中，因此短暂的“感知叠加”是可能的。

然而，工程上的纠缠和叠加成为宏观的大系统仍然是一个重要的目标，即使它是一个遥远的目标。把大型系统放在Schrödinger的猫状态中，并不仅仅是看看好奇是否真的会杀死/不会杀死猫的问题。这也有实际的好处:量子计算机利用量子效应极大地提高了处理能力，需要实现大量量子比特的纠缠和叠加才能实现。因此，理解消相干如何随着尺度的增大而产生，并找到抑制它的方法，是可行的量子信息技术的关键之一。

然而，物理学家似乎越来越多地得出结论，现实生活中薛定谔猫的障碍是技术性的，而不是根本性的。就目前而言，这种区别可能无关紧要，因为一项实验实际能达到的目标有限。“我认为，实际上不可能完全抑制宏观叠加或纠缠的退相干，”Jeong说。“即使你能做到，另一个敌人可能正在等着消灭宏观量子叠加。”但他认为，如果我们能够开发出足够精细的仪器，以及足够孤立的系统，就没有理由认为量子效应无法生存到人的大小。到目前为止，我们还没有发现任何关于处于微观和宏观之间的中间地带的物体与这一观点相矛盾。

两千年来，我们一直认为柏拉图的常识性观点共和国适用于我们的有形世界:“同一事物不可能以两种相反的方式行动或被行动，或同时成为两种相反的事物。”现在我们不那么确定了。随着Schrödinger的小猫们逐渐长大，怪异不再是以前的样子了。

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