薛定諤的貓，一個源于量子力學深處的悖論式形象，長期以來一直是量子世界奇異和違反直覺本質的有力象征。埃爾溫·薛定諤在 1935 年構思的這個思想實驗，旨在強調(diào)將量子疊加應用于宏觀物體時的荒謬性。雖然字面意義上的宏觀疊加在我們?nèi)粘＝?jīng)驗中仍然難以捉摸，但在微觀系統(tǒng)中創(chuàng)造和操縱類似的“貓態(tài)”已成為量子研究的基石，推動著我們理解的邊界，并為革命性技術鋪平了道路。

傳統(tǒng)上，這些脆弱的量子態(tài)只能在最嚴格的條件下才能被誘導產(chǎn)生，需要接近絕對零度的溫度才能最大限度地減少環(huán)境干擾。然而，最近一項發(fā)表在《科學進展》上的突破性研究，通過在超導微波諧振器中成功創(chuàng)建所謂的“熱”薛定諤貓態(tài)，打破了這一范式，證明了量子現(xiàn)象在明顯更溫暖的環(huán)境中依然存在。這一成就不僅加深了我們對量子-經(jīng)典界限的基本理解，而且對未來量子技術也具有廣闊的應用前景。

薛定諤貓的謎團源于量子疊加原理。在量子領域，粒子可以以多種狀態(tài)的概率組合形式存在，直到測量迫使它們進入單一、確定的結果。薛定諤的思想實驗將這一概念推向了極致。想象一只貓在一個密封的盒子里， 有放射性原子和一個裝有毒藥的小瓶。如果原子衰變（一個具有一定概率的量子事件），它會觸發(fā)一個機制打破小瓶，殺死貓。如果原子不衰變，貓仍然活著。

根據(jù)量子力學，在打開盒子進行測量之前，原子以衰變和未衰變兩種狀態(tài)的疊加態(tài)存在。因此，貓的命運與原子息息相關，也應該處于生死兩種狀態(tài)的疊加態(tài)。這種看似荒謬的情景突顯了量子世界中概率性和疊加性與我們所經(jīng)歷的確定性經(jīng)典現(xiàn)實之間的鮮明對比。

在實驗物理學領域，創(chuàng)造薛定諤貓類似物的努力一直集中在實現(xiàn)微觀系統(tǒng)中的疊加態(tài)，通常稱為“貓態(tài)”。這通常涉及創(chuàng)建一個量子物體，使其同時占據(jù)兩種不同的、宏觀上可區(qū)分的狀態(tài)，例如不同的位置、能級或振蕩幅度。多年來，這些脆弱狀態(tài)的創(chuàng)造與對極低溫度的需求密切相關。其背后的原理是，溫度代表系統(tǒng)中粒子平均動能。

較高的溫度會導致熱漲落和與環(huán)境相互作用的增加，這會迅速破壞量子疊加所需的精細相干性。這個過程被稱為退相干，有效地將量子態(tài)坍縮為經(jīng)典的可能性混合物，就像打開薛定諤的盒子迫使貓?zhí)幱诨钪蛩劳鰻顟B(tài)一樣。因此，先前在諸如捕獲離子、超導電路和光子等系統(tǒng)中創(chuàng)建貓態(tài)的實驗總是涉及將這些系統(tǒng)冷卻到非常接近絕對零度的溫度。

最近的工作標志著與這種既定范式的重大背離，研究人員已成功地在高達 1.8 開爾文的溫度下，在超導微波諧振器中產(chǎn)生了薛定諤貓態(tài)。雖然從日常標準來看仍然非常冷，但這個溫度大約是實驗腔內(nèi)環(huán)境溫度的六十倍。這一成就非同尋常，因為它表明，即使在系統(tǒng)受到顯著熱激發(fā)的情況下，也可以實現(xiàn)和觀察到量子疊加。研究人員恰如其分地將這些狀態(tài)命名為“熱”薛定諤貓態(tài)，這與薛定諤最初的思想實驗相呼應。

為了實現(xiàn)這一壯舉，研究人員利用了一個透射子量子比特（一種超導量子比特），它耦合到一個微波諧振器。諧振器充當產(chǎn)生貓態(tài)的量子物體。他們采用了兩種專門改編的協(xié)議，這些協(xié)議以前用于從系統(tǒng)的基態(tài)（最低能量態(tài)）開始生成貓態(tài)。令人驚訝的是，即使在系統(tǒng)未處于基態(tài)而是處于熱激發(fā)態(tài)時，這些協(xié)議也被證明是有效的。通過仔細控制量子比特和諧振器之間的相互作用，研究人員能夠誘導諧振器進入兩種不同的振蕩狀態(tài)的疊加態(tài)，從而有效地創(chuàng)建了“熱”薛定諤貓態(tài)。觀察到清晰的量子干涉圖樣——疊加態(tài)的明確標志——證實了這些狀態(tài)的成功產(chǎn)生。

這項研究的意義深遠，涵蓋了基礎科學和技術應用兩個方面。從基礎科學的角度來看，這項工作擴展了我們對量子相干性極限以及溫度在破壞量子效應中的作用的理解。它表明，即使在存在顯著熱激發(fā)的情況下，也有可能設計和觀察到魯棒的量子疊加。這表明量子力學和熱力學之間的關系可能比以前認為的更加微妙，并為探索量子領域和經(jīng)典領域之間的界限開辟了新的途徑。