量子、水熊虫、薛定谔的猫

Quanta Magazine 上刊载了一篇题为“HowBig Can the Quantum World Be？ Physicists Probethe Limits.”的文章，文章中介绍了物理学家就量子体系与经典体系边界进行探索的进展。令人印象深刻的是，研究者计划利用生命体（水熊虫）来制备量子相干态。一旦该方案成功，将有可能达成物理学家多年的夙愿——真正实现“薛定谔的猫”所具备的那种状态。

下文中，来自中国科学院物理研究所的宿非凡老师会结合自身超导量子计算的研究背景，对该实验进行介绍与解读。

包括构建量子计算机在内的所有利用量子规律的实用化方案中，我們面临的最大挑战在于量子体系中的退相干。

以超导量子计算为例，虽然在不到20年的时间内超导量子比特的退相干时间增加了近5个量级，从纳秒级别上升到了百微秒量级，但是要实现更加通用的量子计算还需要更长更稳定的相干时间与状态。进一步的，如果想要扩大量子计算机的规模，使其拥有数千甚至数百万个纠缠的量子比特，我们还需要弄清楚量子相干性与物理体系尺度的关系。

实际上，量子体系的退相干从量子理论诞生之日起就是物理学家关注的焦点。

双缝干涉现象是最典型的量子干涉现象。在干涉实验中，如果一个个粒子接连通过隔板上两条相邻的狭缝，在不去测量粒子通过了哪条狭缝的时候，粒子的行为类似水波，它的波函数将同时通过两条狭缝并产生干涉;可是一旦在狭缝旁放置一台测量装置来测量每个粒子是否穿过这里，干涉条纹就会消失。引入测量之后，粒子的波函数似乎丧失了相干性，也就是发生了所谓的退相干。

退相干后初始体系中的叠加性消失了，或者说这个体系的量子特性随之消失了，系统从量子的转化为经典的。

冯·诺伊曼（John von Neumann）在20世纪30年代提出了一种被广泛接受的“权宜之计”，用以解释量子体系波函数中概率的性质经测量得到确定结果的过程，他将上述过程称为“波函数的坍缩”。波函数坍缩的观点在一定程度上减小了量子理论与人们直观感受之间的冲突，但是需要注意的是，波函数坍缩的观点本身并没有指明“坍缩”背后的物理机制。

随着技术的进步与理论上的不断探索，物理学家发现，量子系统的退相干源于量子系统与测量仪器、环境的相互作用。

实际上，我们的日常生活中量子叠加退相干时间非常短，可以估算出，一粒在空气中、直径大约10微米的飘浮尘埃颗粒在相距约10微米的两处位置叠加态，由于与周围环境的相互作用，其将在10-31秒内退相干。如此之短的时间我们基本无法测量，更不用说凭人的感官而感知了。

而超导量子比特在该方面的显著进步则可以说明，通过巧妙的测量设计和精细的环境净化，可以延长实验中量子系统的退相干时间，同时在某种意义上，也给了人们弄清量子退相干本质的希望。

虽然人们已经取得了很多进展，但是要进一步提升量子系统的退相干时间，需要从理论上取得突破。

划定薛定谔方程统治的量子领域与牛顿定律统治的经典领域之间的边界，是物理学中尚未解决的问题之一。物理学家希望通过研究微观物体到宏观物体这一过程中的量子相干性的变化，探究退相干的本质。

目前，物理学家们已经可以实现原子、亚原子粒子以及光子的叠加态。虽然随着研究体系的增大，体系受到可破坏叠加态的相互作用就越多，维持叠加态的难度也会增加，但可观测到叠加态的系统尺度仍在稳步增大。该研究领域的资深物理学家、奥地利因斯布鲁克大学的Oriol Romero-Isart相信，在未来几年里也许能搞清楚退相干的本质，以及我们的世界是否从微观到宏观都是量子化的。

为此，Romero-Isart与维也纳大学的MarkusAspelmeyer，瑞士苏黎世联邦理工学院的Lukas Novotny、Romain Quidant 团队合作，开展了Q-Xtreme项目。目前，该项目已经成功实现了对直径100～140纳米体系的研究。令人欣喜的是，他们已经研究了生物分子的相干性（短杆菌肽A1的天然多肽），并获得了良好的效果。

Romero-Isart设想：下一步，可利用光束聚焦于一点形成一个“光阱”，将病毒等微小的生命体定于特定位置后，通过特定的方法将其制备成两种振动状态的叠加，寻找它们之间的干涉。他们甚至计划，利用一种体长约1毫米的缓步动物（水熊虫）进行实验。水熊虫的生命力非常顽强，顽强到可以暴露在外太空中存活数日。也就是说，将其放入超高真空的实验环境中后，其可以保持存活，进而满足人们对生命体量子叠加态的研究需求。

一旦这一计划成功，物理学家将制备出“与薛定谔的猫意义十分相近的量子叠加态”，打破量子领域与经典领域之间的边界，实现物理学多年的夙愿。