科学家创造出有史以来最胖“薛定谔猫”

微观世界遵循量子物理学规律，“薛定谔猫”则是量子力学神奇特性的一个经典例子。而量子规律从微观过渡到宏观的界线到底在哪里？近日发表在《科学》杂志上的一项研究做出了新突破。

薛定谔猫（Schrödinger’s Cat）思想实验是这样的：将一只猫、一个放射性原子和一瓶剧毒毒药放在一个盒子里，然后盖上盖子封闭盒子。在某个时候，那个原子会衰变，触发一种机制，打破毒药瓶导致猫死亡。因为你不知道那个原子什么时候会衰变，所以在任何特定的时刻，小瓶都可能破碎或完整——猫可能同时是活的或死的。所以在某种程度上，在你打开盒子之前，这只猫既是活的又是死的。

现实世界中，一只猫显然不可能既是活的又是死的。一个生物不可能像那样同时存在于两种状态中。但量子粒子的运行规则与猫不同，如果你在特殊条件下处理足够小的物体，它确实可以同时存在于两种状态。不是像猫那样的方式，而是以“实际上同时处于两种状态”的方式。

这种同时处于两种状态的令人费解的能力被称为“叠加”（superposition），这在量子世界中并不少见。然而，不常见的是：相当大的东西也能够保持叠加状态。现在的问题是：当物体达到什么大小时，量子力学的这种叠加态就不再适用了呢？

而这正是苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）一组研究人员设法实现的——“迄今为止最‘胖’的量子猫”。研究人员4月20日在《科学》（Science）杂志上发表了他们的研究结果。

该团队并没有完全了解猫的大小或猫的生物学特性。“当然，在实验室里，我们无法用几公斤重的真实猫来进行这样的实验”，该项目的首席研究员朱一文（Yiwen Chu，音译）在一份新闻稿中说。但她的团队确实实现了16微克的重量。这听起来可能不是很多，但考虑到大多数“量子猫”都是单个原子或分子的大小，16微克还是相当大的重量。

实验包含三个组成部分：“猫”、一个量子比特（Qubit）以及连接两者的材料。“猫”是由一种叫做振荡晶体（oscillating crystal）的东西制成的，这种晶体可以在两种状态之间来回切换，并随之改变形状。

量子比特是叠加发挥作用的地方。与一次只能处于一种状态（开或关、1或0）的标准二进制位不同，量子位可以同时处于这两种状态的组合态，从而实现叠加。同时，它还会产生电场。

最后，当振荡晶体改变形状把“猫”连接到量子比特时，连接后的材料会产生分离的电场。而当这种电场与量子比特相互作用时，就能将同时叠加1和0的状态转移回“猫”，使其处于既“活着”又“死了”的状态。一旦团队能够验证“猫”同时处于明显的两种状态，那实验就成功了。

这个实验的全部意义在于突破“量子猫”大小的界限，理解为什么当“量子猫”大到一定尺寸时就失去了同时处于两种状态的能力。“这很有趣，因为它让我们更好地理解量子效应在宏观世界中消失的原因”，朱一文在新闻发布会上说。该研究还对量子计算领域中制造更可靠的量子比特产生影响，从而使量子计算不完全基于单个原子或分子。

也许有一天我们会知道为什么真正的猫与量子猫的行为方式不同，但在那之前，这将是量子领域的另一个谜团。