互动科普

放大薛定谔之猫——制造超大型叠加态是可能的吗?

Charles Choi

虽然据说猫有九条命，然而只有薛定谔之猫可能同时是活的又是死的。按照量子力学的古怪理论，物体可以同时处于两种状态或者两个不同的位置，直致受到某种干扰之后，物体的这种“叠加”状态才会崩溃，产生唯一的结果。物理学家以前曾经制造过这种薛定谔之猫，不过通常是以单个粒子的形式，如光子或电子。这是因为“猫”越大，就越难保证它不受干扰，而后者正是保持叠加态的一个必要条件。

物理学家现在想出了一个方案，有可能制造比以前大十多亿倍的薛定谔之猫，也就是可以放大到像一个猫的细胞一样大。这对于人类而言当然仍很小，但在量子尺度上，已经是非常大的了。英国牛津大学的Roger Penrose最初设计了一个以人造卫星进行的空间实验，后来他的合作伙伴、美国加州大学巴巴拉分校的Bouwmeester意识到，只要等3—5年技术进步之后，这样的实验在桌子上就可以完成。

这套装置其实是一种干涉计，它测着光线中的一个光子可行进的两条路径。光子笔直地进入到分光晶体后，有相同的几率沿两条路径之前进，两条路径的末端都设有反射空腔。光子进入空腔后，会在里面弹跳一段时间，最终又会跳出空腔，回到分光晶体，在此复原以便观测。光子将同时在两条路径上行进，从而进入叠加态。

然而，其中有一个腔体的构造大不相同，它的一个反射镜悬挂在振动臂上。该振动臂类似于原子力显微机中的悬臂，它具有很高的灵敏度，可以检测到镜子所受的推力。颤动的镜面会与光子发生耦合，因此它约有一毫秒的时间会处于叠加状态。这种叠加态将表现为光子通过两条路径时形成的干涉图样。

由来自牛津大学的物理学家Marshall和Simon设计的这个实验要求极高的灵敏度。为了能让一个光子就可以撞击推动，上述镜子必须极其精细，其厚度可能只有l0微米厚(约人发直径的l／l0)，质量约为l0亿分之5克。实验温度也必须保持在绝对零度之上的几百万分之一度，使所有振动都达到最低。还有，腔体必须保持极高的真空度，以防止游离的原子撞击振动悬臂。今天的技术已经能达到温度和真空度的要求，但如此小的镜面和振动臂，对现有制造工艺确实是一个挑战。Bouwmeester认为，将来能用纳米碳管制造这样的镜面。目前研究人员正在改进这种极小但强度异常之大的纳米管。

美国伊利诺斯大学香槟分校的量子物理学家Kwiat评论说：“如果再过10年，还不能实现这个实验的话，我会觉得反常。虽然我们常说‘他们做的东西没有以前好了。’但事实上技术总是在惊人地进步。”

Bouwmeester表示，制造出大型的叠加状态将可改进量子计算机，因为它们依赖于叠加态粒子来同时代表0和1。这项实验一旦成功，有助于解决如何将这些量子猫锁定在叠加态的问题，当然不用担心我们会被猫爪抓伤。

【何毓嵩/译   李子/校】