微觀世界遵循量子物理學(xué)規(guī)律，“薛定諤貓”則是量子力學(xué)神奇特性的一個(gè)經(jīng)典例子。而量子規(guī)律從微觀過渡到宏觀的界線到底在哪里？近日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一項(xiàng)研究做出了新突破。

薛定諤貓（Schr?dinger’s Cat）思想實(shí)驗(yàn)是這樣的：將一只貓、一個(gè)放射性原子和一瓶劇毒毒藥放在一個(gè)盒子里，然后蓋上蓋子封閉盒子。在某個(gè)時(shí)候，那個(gè)原子會(huì)衰變，觸發(fā)一種機(jī)制，打破毒藥瓶導(dǎo)致貓死亡。因?yàn)槟悴恢滥莻€(gè)原子什么時(shí)候會(huì)衰變，所以在任何特定的時(shí)刻，小瓶都可能破碎或完整——貓可能同時(shí)是活的或死的。所以在某種程度上，在你打開盒子之前，這只貓既是活的又是死的。

現(xiàn)實(shí)世界中，一只貓顯然不可能既是活的又是死的。一個(gè)生物不可能像那樣同時(shí)存在于兩種狀態(tài)中。但量子粒子的運(yùn)行規(guī)則與貓不同，如果你在特殊條件下處理足夠小的物體，它確實(shí)可以同時(shí)存在于兩種狀態(tài)。不是像貓那樣的方式，而是以“實(shí)際上同時(shí)處于兩種狀態(tài)”的方式。

這種同時(shí)處于兩種狀態(tài)的令人費(fèi)解的能力被稱為“疊加”（superposition），這在量子世界中并不少見。然而，不常見的是：相當(dāng)大的東西也能夠保持疊加狀態(tài)。現(xiàn)在的問題是：當(dāng)物體達(dá)到什么大小時(shí)，量子力學(xué)的這種疊加態(tài)就不再適用了呢？

而這正是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）一組研究人員設(shè)法實(shí)現(xiàn)的——“迄今為止最‘胖’的量子貓”。研究人員4月20日在《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

該團(tuán)隊(duì)并沒有完全了解貓的大小或貓的生物學(xué)特性?！爱?dāng)然，在實(shí)驗(yàn)室里，我們無(wú)法用幾公斤重的真實(shí)貓來(lái)進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)”，該項(xiàng)目的首席研究員朱一文（Yiwen Chu，音譯）在一份新聞稿中說。但她的團(tuán)隊(duì)確實(shí)實(shí)現(xiàn)了16微克的重量。這聽起來(lái)可能不是很多，但考慮到大多數(shù)“量子貓”都是單個(gè)原子或分子的大小，16微克還是相當(dāng)大的重量。

實(shí)驗(yàn)包含三個(gè)組成部分：“貓”、一個(gè)量子比特（Qubit）以及連接兩者的材料?！柏垺笔怯梢环N叫做振蕩晶體（oscillating crystal）的東西制成的，這種晶體可以在兩種狀態(tài)之間來(lái)回切換，并隨之改變形狀。

量子比特是疊加發(fā)揮作用的地方。與一次只能處于一種狀態(tài)（開或關(guān)、1或0）的標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制位不同，量子位可以同時(shí)處于這兩種狀態(tài)的組合態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)疊加。同時(shí)，它還會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。

最后，當(dāng)振蕩晶體改變形狀把“貓”連接到量子比特時(shí)，連接后的材料會(huì)產(chǎn)生分離的電場(chǎng)。而當(dāng)這種電場(chǎng)與量子比特相互作用時(shí)，就能將同時(shí)疊加1和0的狀態(tài)轉(zhuǎn)移回“貓”，使其處于既“活著”又“死了”的狀態(tài)。一旦團(tuán)隊(duì)能夠驗(yàn)證“貓”同時(shí)處于明顯的兩種狀態(tài)，那實(shí)驗(yàn)就成功了。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的全部意義在于突破“量子貓”大小的界限，理解為什么當(dāng)“量子貓”大到一定尺寸時(shí)就失去了同時(shí)處于兩種狀態(tài)的能力?！斑@很有趣，因?yàn)樗屛覀兏玫乩斫饬孔有?yīng)在宏觀世界中消失的原因”，朱一文在新聞發(fā)布會(huì)上說。該研究還對(duì)量子計(jì)算領(lǐng)域中制造更可靠的量子比特產(chǎn)生影響，從而使量子計(jì)算不完全基于單個(gè)原子或分子。

也許有一天我們會(huì)知道為什么真正的貓與量子貓的行為方式不同，但在那之前，這將是量子領(lǐng)域的另一個(gè)謎團(tuán)。