現實版薛定諤貓探測量子邊界

編譯 思羽

近期的實驗已經使得相對較大的物體進入量子態，從而闡明了普通世界從量子世界中出現的過程。

薛定諤的貓從來都不是非常可愛，最近的小貓也不例外。超冷原子團或微觀硅條的圖像不太可能在互聯網上呈現病毒式散播。盡管如此，這些不平常的物體還是值得留心，因為它們史無前例地清楚顯示出，量子力學不僅僅是屬于極端小物體的物理學。

大致說來，“薛定諤的小貓”是尺寸上介于原子尺度和著名的“薛定諤貓”之間的物體。量子力學最初被發展出來就是為了描述原子尺度的現象，而埃爾溫·薛定諤借助那只貓來強調量子力學似乎隱含著明顯的荒謬性。這些系統是“介觀的”——大約是病毒或細菌的尺寸，由數以千計或者甚至數十億個原子構成，從而比通常出現反直覺的量子力學性質的典型尺度大得多。它們被用來探索以下問題：在仍然保有量子力學性質的前提下，你可以把尺度放到多大？

用最新的研究結果來判斷的話，答案是“非常大”。兩種截然不同的實驗（兩種實驗都由多個團隊獨立完成）已經顯示：大量原子可以被置于集體量子態，我們對其無法明確地說系統有著某一套性質。在一組實驗中，這意味著“糾纏”一團冷原子的兩塊區域，使得它們的性質互相依賴，彼此相干，兩者的關系似乎根本無視它們在空間上的分離。在另一組實驗中，振動中的微觀物體受到操縱，進入所謂的疊加振動態。著名的薛定諤貓躲藏在盒子里，據說存在于生存與死亡的疊加態中，上述兩組實驗的結果都大體上與這種存在于疊加態的方式類似。

自從量子理論在20世紀初葉產生起，一個問題一直讓科學家們困惑不已。在經典力學中，物體具有定義明確的性質、位置和路徑。量子力學的規則要如何轉變成與之截然不同的經典力學規則呢？經典力學研究的大物體和量子力學研究的微小物體之間，是否存在某種根本性的區別呢？薛定諤的思想實驗以標志性的方式突出強調了這個被稱為“量子-經典過渡”的謎題。

可憐的薛定諤貓是一只遭到誤解甚多的生物。薛定諤的觀點并非像人們經常暗示的那樣，是要強調量子力學假如被外推至平常尺度時的顯而易見的荒謬性。薛定諤貓是薛定諤和阿爾伯特·愛因斯坦之間通信的產物，發生在愛因斯坦批評丹麥物理學家尼爾斯·玻爾和同事擁護的量子力學詮釋之后。

玻爾主張，量子力學似乎迫使我們做出結論，即電子之類的量子物體的性質在我們測量之前沒有明確定義的值。在愛因斯坦看來，這種說法很瘋狂，現實中的一些元素竟然要依賴人類意識的干預來令它成為現實存在。1935年，愛因斯坦和兩位比他年輕的同事鮑里斯·波多爾斯基、納森·羅森一起，提出一項思想實驗，它似乎能讓玻爾支持的量子力學詮釋變成不可能。（這份研究工作如今被稱為EPR佯謬。）他們三人注意到，粒子可以在規定它們必須彼此相干的狀態下被創造出來，這樣在某種程度上，假如一個粒子的某個性質擁有一項特定的值，那么另一個粒子必定擁有另外的某一個特定值。在兩個電子的情況下，單個電子擁有一項名叫自旋的性質，一個電子的自旋可能指向“上方”，而另一個電子的自旋指向“下方”。

那樣的話，根據愛因斯坦與同事們的說法，假如玻爾是對的，自旋的實際方向在測量之前尚未確定，那么兩個電子自旋的相干性意味著測量一個電子的自旋就立刻確定了另一個電子自旋的方向——無論那個粒子離得有多遠。愛因斯坦稱呼這種明顯的關聯是“鬼魅的超距作用”。但這樣的現象應該不可能實現，因為愛因斯坦的狹義相對論顯示，沒有哪種影響能夠傳播得比光更快。

薛定諤稱呼這種粒子之間的相干性為“糾纏”。從20世紀70年代起，實驗已經表明量子糾纏是一種真實的量子現象。但這并不意味著量子能以某種方式通過愛因斯坦口中的“鬼魅作用”，跨越空間即刻影響另一個粒子。更確切的說法是，單個粒子的量子性質不是必然限定于空間中的某個確定位置，而是“非局部的”：只有它與其他某處的另一個粒子的相對關系是完全明確的，這種方式似乎顛覆了我們對空間和距離的直覺觀念。

薛定諤貓脫胎自他對于EPR糾纏的怪異性的沉思。薛定諤想要表明，假如我們幻想地將糾纏擴大到平常尺度，玻爾的“在測量之前，沒有什么是確定的”觀念可能怎樣地導致邏輯上的荒謬。他的思想實驗將一只不幸的貓咪置于一只密封的盒子里，同時放上一小瓶致命的毒藥，某套機械裝置可以打破小瓶子，而該裝置與一個量子粒子或量子事件有關聯（實際上，是存在糾纏）。觸發事件可能來自一個電子，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。接著，你可以準備一個所謂的疊加態中的電子，在這種狀態下，向上的自旋和向下的自旋都是一次測量的可能結果。但是，假如自旋在測量之前是未確定的，那么貓咪的狀態肯定也是如此——你無法意有所指地說貓咪是活著還是死了。而那肯定是無意義的。

薛定諤的論點不只是量子力學的規則被應用到平常尺度時，會導向明顯的胡說八道——你并不需要一只貓就能展現這一點。更確切地說，他想要找到一個極端的證明，論證推遲對一個確定狀態（生存或死亡）的分配，延后到實施測量（通過打開盒子后觀察）之時，這種做法可能導出一些看起來不僅古怪，而且違背邏輯的隱含意味。

對于玻爾而言，這看起來像是無效的情況——譬如打開盒子觀察貓這種測量動作在他看來永遠是宏觀行為，從而是種經典力學的步驟，所以量子力學的規則不再適用。然而，測量要如何確保從量子力學到經典力學的魔幻轉變？

與其就此爭辯，為什么不去做個實驗呢？麻煩之處在于，薛定諤通過想象一只貓與某種原子尺度事件耦合，令它“量子”化，這是可以接受的，但是，我們完全還不清楚，我們要如何——其實是能否——將這種做法擴大尺度，在現實中實施，或者用量子態來表示的話，生存和死亡的疊加態實際上能夠意味著什么。

然而，運用現代技術之后，我們能想象創造出相對較大物體——不像貓咪那么大，但是比單個原子要大得多——定義良好的量子疊加態，再探測它們的性質。那些要創造出“薛定諤小貓”（Schrdinger’s kittens）的努力就是這么回事。

這些10微米長的硅梁被用來產生一種具備量子力學效應，但尺寸接近宏觀物體的結合體

“許多物理學家其實并不期待在大尺度上獲得任何意外結果，”荷蘭代爾夫特理工大學的西蒙·格羅布拉切（Simon Gr blacher）說，“但我們完全不知道，如果你開始用大約1023數量級的原子來營造量子態，會發生些什么。”1023數量級的原子正是平常物體的典型尺度。

新的實驗表明，不管薛定諤怎么想，相對較大的物體確實能展現出反直覺的量子行為。

格羅布拉切與同事們一起創造了硅材質的微型梁，每根梁有10微米長，橫斷面是1微米寬，0.25微米高。每根梁上都些洞眼，會吸收和俘獲紅外激光。研究者接著用疊加路徑發出的激光來激發那些梁，每一條路徑對應一根梁。通過這種做法，研究者能夠讓兩根梁彼此糾纏，進入單個的量子振動態。你可以將這一幕想象成兩只彼此糾纏的貓的極小版本。

在同一期《自然》雜志中，與格羅布拉切團隊的研究一起出現的另一篇論文報道了機械振蕩器之間的另一類糾纏，作者是芬蘭阿爾托大學的米卡·西蘭佩（Mika Sillanp）與同事們。他們以一條超導線令兩片微小的鼓面狀金屬片耦合。超導線能容納以微波頻率（約為每秒50億次振動）振蕩的電流；它的電磁場對振動的金屬片施加壓力。“電磁場充當了介質，迫使兩片鼓面狀金屬片進入彼此糾纏的量子態。”西蘭佩說。

科研人員長久以來一直試圖在這樣的“大型”微機械振蕩器（在這些振蕩器中有數十億個原子）中實現諸如疊加和糾纏的量子效應。西蘭佩說：“從20世紀70年代后期起，機械振蕩器的糾纏狀態就得到了理論上的探討，但直到最近幾年，才可以在技術上生成這樣的糾纏態。”

通常，由量子力學規則支配的物體組成大型物體，并變成服從經典物理學的物體，這兒存在一個轉變過程。上述的那些實驗令人叫絕的地方在于，它們避開了這個過程。這個過程看上去提供了測量謎題的缺失部分（至少是大部分），那正是當年玻爾表達得含糊不清、令人氣惱的地方。

它被稱為退相干——而且相當絕妙地，它完全與糾纏有關。根據量子力學理論，糾纏是兩個量子物體之間的任何相互作用的無可避免的結果。所以，假如一個物體——比方說一只貓——開始處于某個疊加態，那個疊加——你可以稱為量子性——隨著物體與環境的相互作用而擴散，變得越來越與環境相糾纏。但假如你想要實際地觀察那個疊加的話，你會需要推導出所有相糾纏粒子的量子行為。這很快就變得不可能，正如不可能在一滴墨水分散于一個游泳池時追蹤墨水中所有的原子。因為與環境的相互作用，最初的粒子的量子性質逐漸消失并消散，這就是退相干。

量子理論學家早已表明，退相干引起了經典物理學中見到的那種行為。實驗學家已經在能控制退相干比率的實驗中證明了它的存在，隨著退相干的進行，諸如粒子波狀干涉的典型量子效應逐漸消失。

那么，退相干是當前對“量子-經典過渡”的理解的核心。一個物體展現量子行為（譬如干涉、疊加和糾纏引起的相干）的能力與它有多大無關。恰恰相反地，它依賴于物體與環境的糾纏程度。

不過，尺寸大小通常起到很大的影響，因為物體越大，它也就越有可能變得與環境糾纏并退相干。像貓咪這樣溫暖、不安分的大型物體不會有留在任何類型的量子力學疊加態中的希望，幾乎立刻就會退相干。

假如你只是把一只貓留在盒子里，將它的命運與某個量子事件的結果聯系起來，你很可能不會將它置于生存與死亡的疊加態，因為退相干會即刻迫使她進入其中一種狀態。假如你能免除貓與環境的所有相互作用（又沒有在超冷真空中殺死貓！）而抑制退相干的話，那么就是另一種可能，爭論可以繼續下去。幾乎無法想象如何要對一只貓達成這一點。但是，那本質上就是格羅布拉切和西蘭佩各自的團隊對他們的微型振蕩器所實現的事情。

我們不用由上至下地研究“量子-經典”的邊界，而是看一下我們是否在一個振動物體足夠小的前提下，賦予它量子性，我們這樣能由下至上地攻克這個難題。因為我們知道疊加和干涉這樣的量子效應能毫無困難地在單個原子、甚至是小型分子上見到，我們也許會尋思，隨著我們不停地添加原子，那些量子效應能維持到什么地步。現在已經有三支團隊探究了這個問題，他們成功地讓數量最高達到數萬個超冷原子的原子團進入量子態，方法是讓它們在一種名叫玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）的狀態下相互糾纏。

愛因斯坦和印度物理學家薩特延德拉·玻色（Satyendra Nath Bose）指出，這樣的狀態也許存在于玻色子（以玻色的名字來命名，是兩類普通的基本粒子之一）中。在玻色-愛因斯坦凝聚態下，所有粒子都處于相同的單個量子態，這就意味著實際上它們表現得像一個大型量子物體。因為它是量子效應，所以玻色-愛因斯坦凝聚只發生于非常低的溫度下，僅在最純凈的形式（一團玻色粒子）下見得到。在1995年的那次發現中，銣原子被冷卻至比絕對零度只高了區區幾十億分之一度的溫度。

西蒙·格羅布拉切是荷蘭代爾夫特理工大學的一位物理學家，他將固體硅梁置于特殊狀態，令它們彼此糾纏

用這些超冷原子生成的玻色-愛因斯坦凝聚已經給予物理學家一種探究量子現象的新手段。在過去，研究者已經表明，這樣的原子團——大概有數千個原子——能被置于某種狀態中，讓所有原子都量子糾纏在一起。

德國漢諾威萊布尼茨大學的卡斯滕·克倫普特（Carsten Klempt）說，嚴格來說，這些并非“薛定諤的小貓”。“薛定諤的小貓”一般被定義為截然不同的狀態的疊加：比如說，所有都是向上的自旋的狀態，所有都是向下的自旋的狀態（類似于“生存”和“死亡”）。這些彼此糾纏的原子團的情況并非如此。盡管這樣，他們依然在相當大的尺度上表現出量子行為。

然而，它們是EPR類型糾纏的“小貓版尺度”具身化的這種想法有著一項更為重要的限制。原子在空間中全部混雜在一起，一模一樣，難以區分。這意味著，就算它們相互糾纏了，你也無法見到這種糾纏以“此地一物體與彼處一物體的性質之間的相干”形式表達出來。“超冷原子的玻色-愛因斯坦凝聚包括大批難以區分的原子，在任何物理觀測中簡直一模一樣。”克倫普特說，“因此，糾纏的原始定義（按照EPR思想實驗中描繪的那樣）在這些原子中無法實現。”實際上，“難以區分的粒子之間的糾纏”整個概念曾經存在理論上的爭議。“那是因為糾纏的概念要求可以去定義（明顯不同的）彼此糾纏的子系統。”德國海德堡大學的菲利普·孔克爾（Philipp Kunkel）說。

如今，漢諾威的克倫普特團隊、馬庫斯·奧勃特哈勒（Markus Oberthaler）領導下的海德堡的孔克爾團隊、瑞士巴塞爾大學的菲利普·特羅伊特萊因（Philipp Treutlein）領導的團隊分別進行的三項實驗展示了一類更加清楚的糾纏，與EPR思想實驗中空間分離的粒子完全相似。特羅伊特萊因說：“當在這樣空間分離的系統中觀察到糾纏，與經典物理學的沖突變得格外惹人矚目。這就是1935年的EPR論文所考慮的情形。”

三支團隊使用了被置于電磁俘獲場的、由數百個到數千個銣原子構成的原子團。電磁場要么由“原子芯片”上的微觀裝置生成，或者由交叉的激光束產生。研究者采用紅外激光去激發原子自旋中的量子躍遷，尋找自旋值之間的相干，它們就是揭示糾纏的跡象。海德堡和巴塞爾的研究團隊對付的是單個大型原子團中的兩塊不同區域，而克倫普特團隊實際上往中間插入一塊空曠空間區域，分裂了原子團。

巴塞爾和海德堡的研究團隊通過一項名叫“量子導引”的效應展示了糾纏，其中利用了兩塊糾纏區域明顯的相互依賴特性，于是對一塊區域進行測量允許研究者預測另一塊區域的測量值。“導引這個說法是薛定諤引進的。”特羅伊特萊因解釋說，“它指的是以下事實，視區域A的測量結果而定，我們用來描述系統B的量子態會變化。”但這不表示A與B之間存在任何即刻的信息傳輸或通信。“無法用決定論的方式去導引遙遠系統的狀態，因為測量結果仍然是或然的。”孔克爾說，“不存在必然導致什么的影響。”

這些結果“令人興奮”，柏林自由大學的延斯·艾澤特（Jens Eisert）如此說，他并未參與這些研究工作。“原子蒸汽中的糾纏在很久以前產生過了，”他說，“但這兒不同的地方在于這些系統中的可定址性和控制的水平。”

除了更清楚地展示存在于空間分離區域之間的糾纏，這樣的實驗方式還有一個實際的優點：你在量子信息處理時能夠個別處理相分離的區域。“原則上，甚至在BEC態中，都不可能處理個別的原子卻不影響所有其他的原子，假如它們都在同個地點的話。”特羅伊特萊因說，“然而，假如我們能個別地處理兩塊空間分離的區域，糾纏就變得能用于量子信息任務，譬如量子遙傳或者糾纏交換。”他補充道，然而那樣就會要求原子團的物理區隔的程度提高，超過當前實驗中實現的程度。克倫普特說，理論上，你會將原子團進一步分隔成一個個可定址的原子。

米卡·西蘭佩是芬蘭阿爾托大學的一位物理學家，他令小型的鼓面狀金屬片彼此糾纏

這樣的“大型”量子物體也許還能讓我們能夠探測新的物理學：比如說，去搞明白引力開始變成對于量子行為的重要影響時都發生了什么。“有了這種控制和操縱大型糾纏態的新方法，就有機會進行引力理論中量子效應的復雜測試。”艾澤特說。譬如說，已經有人提出，引力效應也許引發了量子態到經典態的物理坍塌，原則上來講，這個想法經得起有關疊加或大質量物體糾纏態的實驗的檢驗。特羅伊特萊因說，測試物理坍塌模型的一種方式要用到不同的源自“物質波”之間的干涉——他還補充說，他的團隊所生成的分裂的、糾纏的BEC能充當這樣的原子干涉儀。“大多數物理學家大概不會期待量子物理學隨著系統尺寸的增加而突然取得突破。”克倫普特說。但孔克爾補充說，“能夠彼此糾纏的物體的尺寸是否存在基本的極限，這仍然是個從實驗和理論角度來說都未有定論的問題。”

“最有趣的問題是，假如存在某種基本尺寸，到達那個尺寸，就在某些程度上無法實現糾纏。”西蘭佩說，“那會意味著，除了正常的量子力學，還有別的東西介入進來，譬如說，可能是由引力引發的坍塌。”假如引力確實扮演重要角色，對于如何發展出能將當前不相容的量子力學理論和廣義相對論統一起來的量子引力理論，它也許能提供一些線索。

那會是“薛定諤的小貓”的一大妙舉。就目前而言，它們強化了大家普遍相信的觀念：量子行為沒什么特別的，除了事實上量子行為將自身織造成更加混亂的貓之搖籃，而我們的經典物理之網就出自于其中。而且在這個過程中，也無須殺掉哪只貓。

資料來源 Quanta Magazine