薛定諤的兔子從來沒有這么帥過，最新的一只也不例外。 超細原子云或微型晶片的圖像不太可能在互聯(lián)網(wǎng)上傳播。 同樣，這些獨特的物體值得注意，因為它們以前前所未有的清晰度表明量子熱不僅僅是最微小的數(shù)學(xué)。
粗略地說，“薛定諤的兔子”是介于原子尺度之間的一個物體，原子尺度最初是用來描述量子熱的，而埃爾溫·薛定諤曾用這只非常愚蠢的貓來指出該理論的含義。 這樣的系統(tǒng)是“介觀的”——可能與病毒或細菌大小相當——包含數(shù)千甚至數(shù)十億個原子，因此比出現(xiàn)量子熱反直覺特性的典型尺度要大得多。 他們解決了一個問題：在保持這種量子質(zhì)量的同時，你能走多遠？
從最新的結(jié)果來看，答案是：相當多。 兩種不同類型的實驗——都是由幾個獨立的小組進行的——長期以來一直表明，大量原子可以進入集體量子態(tài)，我們不能肯定地說該系統(tǒng)具有一組屬性或另一組屬性。 在一組實驗中，這意味著“糾纏”冷原子云的兩個區(qū)域，使它們的特性相互依存并以一種似乎無視空間分離的方式相關(guān)聯(lián)。 另一方面，微觀振動的物體被操縱成所謂的振動狀態(tài)的疊加。 這兩個結(jié)果和薛定諤臭名昭著的貓的方法大致相似，甚至藏在它的育兒袋里，據(jù)說是生死狀態(tài)的疊加。
自 20 世紀初量子理論首次發(fā)展以來，量子熱規(guī)則如何分解為截然不同的經(jīng)典熱規(guī)則——物體具有明確定義的屬性、位置和路徑——一直困擾著科學(xué)家。 小型經(jīng)典物體和小型量子物體之間是否存在一些根本區(qū)別？ 施羅的思想實驗以標志性的形式指出了所謂量子經(jīng)典革命的困境。
可憐的貓是一只被誤解的野獸。 如果經(jīng)常暗示，如果外推到日常尺度，薛定諤的想法并不是量子熱力學(xué)的明顯愚蠢。 這只貓是愛因斯坦批評德國化學(xué)家尼爾斯·玻爾及其朋友所倡導(dǎo)的量子熱解釋后，薛定諤與愛因斯坦通信的產(chǎn)物。
玻爾認為，雖然量子熱學(xué)引導(dǎo)我們進行推論，但在我們檢測到它們之前，電子等量子物體的屬性沒有明確定義的值。 對于愛因斯坦來說，現(xiàn)實中的各個元素都依賴于我們有意識的干預(yù)才能實現(xiàn)，這對愛因斯坦來說似乎很瘋狂。 1935 年，他與兩個年輕朋友鮑里斯·波多爾斯基 (Boris ) 和內(nèi)森·羅森 ( Rosen) 一起提出了一個思想實驗，但未能解釋清楚。 他們中的三個（他們的工作現(xiàn)在被集體標記為 EPR）強調(diào)可以在必須相互關(guān)聯(lián)的狀態(tài)下創(chuàng)建粒子，從某種意義上說，如果其中一個對單個屬性具有特定值，則other 一定也有一些其他特殊的價值。 在兩個具有稱為載流子的屬性的電子的情況下，一個可以指向“向上”，而另一個電子的載流子指向“向下”。
在這些情況下，根據(jù)愛因斯坦和他的朋友們的說法，如果玻爾是正確的在物理學(xué)中量子指什么，但在檢測到旋轉(zhuǎn)之前的實際方向是不確定的，那么這兩個旋轉(zhuǎn)的相關(guān)性意味著檢測到其中一個旋轉(zhuǎn)將立即修補另一個旋轉(zhuǎn)方向——無論粒子有多遠。 愛因斯坦將這些非凡的聯(lián)系稱為“遠距離的怪異行為”。 但這些現(xiàn)象應(yīng)該是不可能的，因為愛因斯坦的狹義相對論表明沒有任何效應(yīng)可以比光傳播得更快。
薛定諤覺得這些相關(guān)性存在于粒子的“糾纏”之間。 自 20 世紀 70 年代以來的實驗表明，它是一種真正的量子現(xiàn)象。 但這并不意味著量子粒子可以通過愛因斯坦的奇思妙想突然以某種方式相互影響。 更好的說法是，單個粒子的量子特性不一定在空間中的某個固定位置確定，而可能是“非局部的”：僅在其他地方的另一個粒子中完全指定，其形式雖然破壞了我們的直覺空間概念和距離。
薛定諤的貓出現(xiàn)在他對 EPR 糾纏特性的思考中。 薛定諤想要證明玻爾的觀點，即如果我們想象糾纏高于日常規(guī)范，那么在我們檢查之前沒有什么是固定的可能會導(dǎo)致邏輯上的愚蠢。 他的思想實驗將這只倒霉的貓放在一個封閉的袋子里，袋子里裝有一瓶致命的毒藥在物理學(xué)中量子指什么，可以通過某種機制打開——與量子粒子或風(fēng)暴波纏繞在一起。 觸發(fā)器可能來自一個電子，如果它向下旋轉(zhuǎn)，它會破壞大桶，但如果它向上旋轉(zhuǎn)，則不會。 之后，您可以將電子投射到所謂的狀態(tài)疊加中，其中自旋向下和自旋向上都是檢測的可能結(jié)果。 如果旋轉(zhuǎn)在檢測之前是未定義的，那么貓的狀態(tài)也必須如此——你不能有意義地說它是活的還是死的。 這一定是荒謬的。
薛定諤的觀點不僅僅是量子規(guī)則在應(yīng)用于日常規(guī)模時會導(dǎo)致明顯的廢話——你不需要那只貓。 更準確地說，他想找到一個極端的證明，說明將任何明確狀態(tài)（活著或死去）的分配推遲到檢測（通過打開盒子查看）可能會導(dǎo)致禁止意義的形成。
對于玻爾來說，這可能是一個無效的情況——打開袋子和看貓這樣的檢測對他來說總是一個宏觀的，因此是經(jīng)典的過程，因此量子規(guī)則將不再適用。 但這樣的測試如何確保從量子到經(jīng)典的神奇過渡？
為什么不試驗而不是爭論呢？ 問題是，雖然薛定諤通過將它與某種原子級風(fēng)暴聯(lián)系起來來制造“量子”的想象非常好，但我們?nèi)绾巍蛘呤聦嵣稀覀兡芊裨趯嵺`中做到這一點卻并非如此。 就量子態(tài)而言，生死疊加意味著什么，或者實際上是清楚的。
使用現(xiàn)代技術(shù)，我們可以想象為相對較大的物體創(chuàng)建定義明確的量子疊加——不像貓那么大，但比孤立的原子大得多——但可以檢測它們的特性。 這就是創(chuàng)造薛定諤的兔子的努力所在。
“許多化學(xué)家不希望大范圍出現(xiàn)任何意外，”英國代爾夫特理工學(xué)院的 ? 說。 “這是日常物品的典型比例。
新實驗表明，與薛定諤的想法不同，相對較大的物體確實表現(xiàn)出違反直覺的量子行為。
10 微米長的硅束的顯微圖像
這種 10 微米長的硅光束用于創(chuàng)建幾乎宏觀物體的量子熱組合。量子納米科學(xué)系 Gr? 實驗室
Gr? 和他的朋友們創(chuàng)造了硅微晶束，每束長 10 微米，橫截面為 1 x 0.25 微米。 每個沿光束都有孔，可以吸收和捕獲紅外激光。 然后，研究人員用疊加的光線對光束進行爆破，每條光束一個。 通過這樣做，他們能夠?qū)墒饧m纏成一個單一的量子振動狀態(tài)。 你可以把它想象成兩只糾纏在一起的貓的超小等價物。
?? 和美國阿爾托學(xué)院的朋友以及 Gr? 的自然小組在背靠背的論文中報道了機械振蕩器之間的另一種糾纏。 他們用超導(dǎo)線連接了兩個微小的鼓面形金屬板。 電纜線可以包含以微波頻率振蕩的電壓（每秒約 50 億次振動）； 它的電磁場對振動板施加壓力。 “電磁場作為一種媒介將兩個鼓面推入糾纏的量子狀態(tài)，”?? 說。
長期以來，研究人員一直試圖在像這個包含數(shù)十億個原子的“大型”微機械振蕩器中實現(xiàn)疊加和糾纏等量子效應(yīng)。 “自 20 世紀 70 年代后期以來，機械振蕩器中的糾纏態(tài)一直在理論上進行討論，但在過去幾年中，技術(shù)上才有可能創(chuàng)造這種狀態(tài)，”?? 說。
此類實驗之所以如此強大，是因為它們繞過了將小物體從受量子規(guī)則支配的物體轉(zhuǎn)變?yōu)榉慕?jīng)典數(shù)學(xué)的物體的通常過程。 這個過程，同時提供了檢測困境中缺失的部分（至少是大部分），讓玻爾非常費解。
它被稱為退相干——但是，相當巧妙地，它都是糾纏。 根據(jù)量子熱力學(xué)，糾纏是兩個量子物體之間任何相互作用的必然結(jié)果。 因此，如果一個物體——比如一只貓——開始時是狀態(tài)的疊加，那么這些疊加——你可能會說這些量子——隨著物體與其環(huán)境的相互作用而展開，并越來越多地與其環(huán)境糾纏在一起。 如果你想真正觀察疊加態(tài)，你需要推導(dǎo)所有糾纏粒子的量子行為。 這很快看起來是不可能的，因為它會分散墨水中的所有原子，因為它會在游泳池中擴散。 由于與環(huán)境的相互作用，原始粒子的量子特性被泄漏和分散。 那就是退相干。
量子理論家長期以來一直表明，退相干會產(chǎn)生經(jīng)典數(shù)學(xué)中所見的行為。 實驗家已經(jīng)在可以控制退相干率的實驗中證明了這一點，其中隨著退相干的進行，粒子的波狀干涉等特征量子效應(yīng)逐漸消失。
為此，退相干是當前對量子正則位移理解的核心。 物體表現(xiàn)出量子行為的能力，例如由糾纏引起的干涉、疊加和相關(guān)性，與其大小無關(guān)。 相反，它取決于它與環(huán)境的糾纏程度。
不過，尺寸通常會發(fā)揮作用，因為物體越大，就越容易與其周圍環(huán)境和室內(nèi)裝潢糾纏在一起。 像貓這樣的大型、溫暖、不安分的物體沒有希望以任何方式維持量子熱疊加，但或多或??少會立即消除它。
如果你只是把一只貓放在一個袋子里，并將它的命運與某種量子風(fēng)暴的結(jié)果聯(lián)系起來，你就不可能把它置于生與死的疊加狀態(tài)，因為退相干幾乎會立即迫使它進入一種狀態(tài)或其他。 . 假設(shè)您可以通過消除與環(huán)境的所有交互來抑制退相干（無需在超級真空中殺死貓?。冒桑鞘橇硪粋€故事，爭論仍然存在。 幾乎無法想象如何為貓實現(xiàn)這一目標。 但這實際上是 Gr? 和 ?? 的團隊用他們的微型振蕩器取得的成果。
我們不是自上而下地研究量子規(guī)范邊界，看看我們是否能讓量子在足夠小時振動，而是自下而上地研究它。 由于我們知道疊加和干涉等量子效應(yīng)很容易在單個原子甚至小分子中看到，我們可能想知道隨著我們不斷添加更多原子，這種效應(yīng)能持續(xù)多久。 三個團隊現(xiàn)在已經(jīng)探索了這個問題，通過將它們糾纏在一種稱為玻色-愛因斯坦冷凝器 (BEC) 的狀態(tài)中，從而在數(shù)萬個超冷原子的云中實現(xiàn)量子態(tài)。
愛因斯坦和美國化學(xué)家 Nath Bose 強調(diào)，這些狀態(tài)可能存在于玻璃骰子（以玻色命名）中，玻璃骰子是兩種常見的基本粒子之一。 在 BEC 中，所有粒子都處于相同的單一量子態(tài)，這實際上意味著它們充當一個巨大的量子物體。 由于它是一種量子效應(yīng)，玻色-愛因斯坦收斂僅在極低的溫度下發(fā)生，而 BEC 僅以其最純粹的形式——一團玻璃狀骰子粒子——于 1995 年在銣原子中冷卻至十億分之一度，低于絕對零.
由這些超冷原子制成的 BEC 為化學(xué)家提供了一種研究量子現(xiàn)象的新媒介。 過去，研究人員已經(jīng)表明，這樣的云——可能有幾千個原子——可以處于所有原子都量子糾纏的狀態(tài)。
法蘭克福的美國萊布尼茨研究所說，這嚴格來說不是薛定諤的兔子。 這些通常被定義為盡可能不同的狀態(tài)的疊加：例如，所有狀態(tài)都有向下旋轉(zhuǎn)和向上旋轉(zhuǎn)（類似于“活著”和“死去”）。 在這個糾纏的原子云中并非如此。 盡管如此，他們一直在相對大規(guī)模地展示量子行為。
然而，還有一個更重要的條件，即它們是 EPR 式糾纏的“小貓級”體現(xiàn)。 這些原子在空間中混雜在一起，并且是相同的，無法區(qū)分。 這意味著雖然它們糾纏在一起，但你看不到這里一個對象的屬性和那里另一個對象的屬性之間的相關(guān)性。 “玻色-愛因斯坦超冷原子團，由大量難以區(qū)分的原子組成，在任何數(shù)學(xué)意義上都是可觀察到的，”說。 “因此，糾纏的最初定義 [如 EPR 思想實驗所描述的那樣] 未能在其中實現(xiàn)。” 事實上，無法區(qū)分的粒子之間糾纏的整個概念在理論上是有爭議的。 德國海德堡研究所的研究人員說：“這是因為糾纏的概念需要定義相互糾纏的 [不同] 子系統(tǒng)的可能性?！?span style="display:none">EcE物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
更清晰的糾纏，直接類似于 EPR 思想實驗中空間分離粒子的糾纏，現(xiàn)已在法蘭克福小組、赫克斯堡小組（由 領(lǐng)導(dǎo)）和英國巴塞爾團隊的三個獨立實驗中得到證明。 由首爾大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團隊。 “當在這些空間分離的系統(tǒng)之間觀察到糾纏時，與經(jīng)典化學(xué)的沖突尤為突出，”說。 “這是 1935 年 EPR 論文中考慮的情況?！?span style="display:none">EcE物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
這三個小組都使用由數(shù)百至數(shù)千個銣原子組成的云，這些銣原子被保持在電磁捕獲場中（由“原子芯片”上的微觀元素或通過交叉激光束形成）。 研究人員使用紅外激光來爆發(fā)原子載流子中的量子躍遷，并尋找自旋值之間的相關(guān)性，這是糾纏的標志。 實際上，海德堡和巴塞爾團隊處理的是一個小云中的兩個不同區(qū)域，但該團隊實際上通過在中間插入一個空白來分割云。
巴塞爾和海德堡小組通過一種稱為量子操縱的效應(yīng)證明了糾纏，其中兩個糾纏區(qū)域的顯著相互依賴性被用來促進一個區(qū)域的檢測，以便研究人員可以預(yù)測另一個區(qū)域的檢測。 “'指導(dǎo)'一詞是由薛定諤引入的，”解釋道。 “這意味著，根據(jù)A區(qū)的探測結(jié)果，我們用來描述系統(tǒng)B的量子態(tài)發(fā)生了變化。” 但這并不意味著 A 和 B 之間有任何即時的信息傳遞或通信?！耙驗闄z測的結(jié)果仍然是概率性的，所以對遠距離系統(tǒng)的狀態(tài)沒有確定性的控制，”說。 “沒有任何因果關(guān)系。”
這樣的結(jié)果“非常令人興奮”，柏林自由學(xué)院的延斯說，他沒有參與這項工作。 “很久以前就已經(jīng)建立了原子蒸汽的糾纏，”他說，“但這里的不同之處在于這種系統(tǒng)的可輪詢性和控制水平?！?span style="display:none">EcE物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
不僅可以更清楚地展示空間分離區(qū)域之間的糾纏，而且以這些方式進行操作還有實際優(yōu)勢：您可以分別處理不同的區(qū)域以進??行量子信息處理。 “即使在原則上，也不可能在不影響所有其他原子的情況下解決 BEC 中的單個原子，因為它們都位于同一位置，”說。 “然而，如果我們能夠獨立解決兩個空間分離的區(qū)域，那么這種糾纏似乎對量子信息任務(wù)很有用，例如量子隱形傳態(tài)或糾纏交換?！?然而，這需要將云的化學(xué)分離減少到 的限制之外。 他補充說，目前的實驗。 理想情況下，比如說，您可以將云進一步定義為可單獨輪詢的原子。
像這樣的“大”量子物體也可能使我們能夠探索新的數(shù)學(xué)：例如，找出當引力開始對量子行為產(chǎn)生重大影響時會發(fā)生什么。 “通過這些控制和操縱大糾纏態(tài)的新方法，可以在引力理論中進行復(fù)雜的量子效應(yīng)測試，”說。 例如，有人提出引力效應(yīng)可能導(dǎo)致量子態(tài)化學(xué)坍縮成經(jīng)典物質(zhì)，這些想法原則上適用于大質(zhì)量疊加態(tài)或糾纏態(tài)的實驗。 測試化學(xué)坍縮模型的一種方法是在不同的原子“物質(zhì)波”之間進行干涉——他補充說，他的團隊分裂的、糾纏的 BEC 可以用作這樣的原子干涉儀。 “隨著系統(tǒng)規(guī)模的減小，大多數(shù)數(shù)學(xué)家可能不會預(yù)料到量子化學(xué)會突然崩潰，”他說。 但補充說，“如果對物體的大小有一個基本的限制，這在實驗和理論上仍然是一個懸而未決的問題?！?span style="display:none">EcE物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
“最有趣的問題是，如果某個基本規(guī)范無法以某種方式糾纏在一起怎么辦，”?? 說。 因為引力導(dǎo)致的坍縮?！比绻Υ_實起作用，這可能會提供一些線索，說明如何發(fā)展一種量子引力理論，將目前不相容的量子力學(xué)和廣義相對論理論結(jié)合起來。
這對薛定諤的兔子來說是一個絕妙的把戲。 就目前而言，他們指出了一種普遍的信念，即除了將自身旋轉(zhuǎn)成一個日益沮喪的貓搖籃之外，量子行為沒有什么特別之處，我們的規(guī)范網(wǎng)絡(luò)就是從這個搖籃中誕生的。 并且不會在此過程中殺死任何貓。
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