瑞士苏黎世理工大学Chu Yiwen团队在一块质量为16.2微克的蓝宝石晶体上，使约1017个原子处于两种不同声子振荡模式的叠加，构建了迄今为止最大规模的薛定谔猫态。该结果为探索量子和经典世界之间边界提供了新的方向，有望在连续变量量子信息处理和机械谐振腔计量学中得到应用。该成果于4月20日发表在《科学》杂志上。
量子效应通常局限于原子、分子等微观尺度，人眼可见的日常世界不具有量子特性。科学家可以使某些微小物体显示量子特征，但是并没有完全理解量子和非量子之间的边界。1935年，埃尔温·薛定谔设想了一种可以通过放射性衰变毒害猫的装置，并得出结论，一个原子同时处于“衰变”和“未衰变”的叠加可以映射到猫同时“死”和“活”的叠加上。这个假想的场景有两个方面使它显得荒谬和反直觉：首先，猫是一个宏观的、日常的物体；其次，“死”和“活”是我们的经典经验中相互排斥的状态。对于为什么我们可能永远不会遇到处于如此不幸状况下的猫，人们提出了许多解释，比如宏观物体可能过于复杂，受制于太多的退相干源，无法维持不同状态的叠加等。另一些理论则引入了超出标准量子力学的额外效应，如本征随机噪声或引力退相干导致的波函数坍缩。这些效应通常随着系统的质量和叠加态的不同而变化。因此，观测大质量物体中的态叠加对于探索量子力学的有效范围至关重要。此外，制备和探测薛定谔猫态对于量子技术的应用也具有重要的价值。
研究团队的装置由一个高次谐波体声波谐振器（high-overtone bulk acoustic-wave resonator, HBAR）耦合到一个超导量子比特而组成，量子比特和HBAR分别制作在单独的蓝宝石芯片上，随后倒装芯片键合到最终器件中。其中蓝宝石晶体中的声子振荡模式代表猫、超导量子比特代表可能发生放射衰变的原子。通过微波驱动引起的斯塔克位移来调节量子比特的频率，使研究人员能够处理几个纵向声子模式。简单来说，当晶体在振荡时发生形变将产生一个电场，通过施加相位和振幅可变的驱动脉冲，将量子比特调谐到声子模振荡频率，诱导共振相互作用，使得量子比特的叠加态可以转移到晶体中。这样，晶体中的声子振荡模式可以同时处在两种状态：两种振荡处于同一频率，但相差π相位，因此在同一时间，一个模式会向上（up）振荡，另一个模式则在向下（down）振荡，分别代表了猫的“活”或“死”态。为了证明振荡态是真正的猫态，重要的是证明它们在宏观上是可区分的。这意味着“up”、“down”态的分离应该大于晶体内部原子的任何热涨落或量子涨落。研究团队通过使用超导量子比特间接地测量了两个态的空间分离来验证这一点。尽管测得的分离度只有2.1×10-18米，小于一个原子的尺度，但足以清楚地区分出两种状态。
在未来，Chu希望进一步增大晶体“猫”的质量。她表示：“这很有趣，因为它将使我们更好地理解量子效应在真实的宏观世界中消失的原因。”除了学术兴趣之外，这类实验在量子技术方面也有潜在的应用。例如，量子信息可以通过由晶体中大量原子组成的猫态存储，从而比目前常用的单个原子或离子更加稳固。另外，大质量物体在叠加态下对外部噪声的极端敏感性可以被利用来精确测量微小的干扰，如引力波或探测暗物质。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf7553
报道链接：
https://phys.org/news/2023-04-heaviest-schrdinger-cat-small-crystal.html
图1 苏黎世理工学院的科学家们在创造更重的薛定谔猫方面取得了进展，它可以同时是活的（上）和死的（下）。
图2 在该实验中，猫是由晶体中的振荡来表示的，而衰变的原子是由一个耦合到晶体的超导电路来模拟的。