薛定諤的兔子從來(lái)沒(méi)有這么帥過(guò)，最新的一只也不例外。 超細(xì)原子云或微型晶片的圖像不太可能在互聯(lián)網(wǎng)上傳播。 同樣，這些獨(dú)特的物體值得注意，因?yàn)樗鼈円郧扒八从械那逦缺砻?a href='http://m.njxqhms.com/gaozhongwuli/zongheyuqita/3756.html' title='（好書(shū)推薦）扎克伯格給女兒的物理啟蒙書(shū)——《寶寶的量子物理學(xué)》繪本適讀' target='_blank'>量子熱不僅僅是最微小的數(shù)學(xué)。
粗略地說(shuō)，“薛定諤的兔子”是介于原子尺度之間的一個(gè)物體，原子尺度最初是用來(lái)描述量子熱的，而埃爾溫·薛定諤曾用這只非常愚蠢的貓來(lái)指出該理論的含義。 這樣的系統(tǒng)是“介觀的”——可能與病毒或細(xì)菌大小相當(dāng)——包含數(shù)千甚至數(shù)十億個(gè)原子，因此比出現(xiàn)量子熱反直覺(jué)特性的典型尺度要大得多。 他們解決了一個(gè)問(wèn)題：在保持這種量子質(zhì)量的同時(shí)，你能走多遠(yuǎn)？
從最新的結(jié)果來(lái)看，答案是：相當(dāng)多。 兩種不同類型的實(shí)驗(yàn)——都是由幾個(gè)獨(dú)立的小組進(jìn)行的——長(zhǎng)期以來(lái)一直表明，大量原子可以進(jìn)入集體量子態(tài)，我們不能肯定地說(shuō)該系統(tǒng)具有一組屬性或另一組屬性。 在一組實(shí)驗(yàn)中，這意味著“糾纏”冷原子云的兩個(gè)區(qū)域，使它們的特性相互依存并以一種似乎無(wú)視空間分離的方式相關(guān)聯(lián)。 另一方面，微觀振動(dòng)的物體被操縱成所謂的振動(dòng)狀態(tài)的疊加。 這兩個(gè)結(jié)果和薛定諤臭名昭著的貓的方法大致相似，甚至藏在它的育兒袋里，據(jù)說(shuō)是生死狀態(tài)的疊加。
自 20 世紀(jì)初量子理論首次發(fā)展以來(lái)，量子熱規(guī)則如何分解為截然不同的經(jīng)典熱規(guī)則——物體具有明確定義的屬性、位置和路徑——一直困擾著科學(xué)家。 小型經(jīng)典物體和小型量子物體之間是否存在一些根本區(qū)別？ 施羅的思想實(shí)驗(yàn)以標(biāo)志性的形式指出了所謂量子經(jīng)典革命的困境。
可憐的貓是一只被誤解的野獸。 如果經(jīng)常暗示，如果外推到日常尺度，薛定諤的想法并不是量子熱力學(xué)的明顯愚蠢。 這只貓是愛(ài)因斯坦批評(píng)德國(guó)化學(xué)家尼爾斯·玻爾及其朋友所倡導(dǎo)的量子熱解釋后，薛定諤與愛(ài)因斯坦通信的產(chǎn)物。
玻爾認(rèn)為，雖然量子熱學(xué)引導(dǎo)我們進(jìn)行推論，但在我們檢測(cè)到它們之前，電子等量子物體的屬性沒(méi)有明確定義的值。 對(duì)于愛(ài)因斯坦來(lái)說(shuō)，現(xiàn)實(shí)中的各個(gè)元素都依賴于我們有意識(shí)的干預(yù)才能實(shí)現(xiàn)，這對(duì)愛(ài)因斯坦來(lái)說(shuō)似乎很瘋狂。 1935 年，他與兩個(gè)年輕朋友鮑里斯·波多爾斯基 (Boris ) 和內(nèi)森·羅森 ( Rosen) 一起提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，但未能解釋清楚。 他們中的三個(gè)（他們的工作現(xiàn)在被集體標(biāo)記為 EPR）強(qiáng)調(diào)可以在必須相互關(guān)聯(lián)的狀態(tài)下創(chuàng)建粒子，從某種意義上說(shuō)，如果其中一個(gè)對(duì)單個(gè)屬性具有特定值，則other 一定也有一些其他特殊的價(jià)值。 在兩個(gè)具有稱為載流子的屬性的電子的情況下，一個(gè)可以指向“向上”，而另一個(gè)電子的載流子指向“向下”。
在這些情況下，根據(jù)愛(ài)因斯坦和他的朋友們的說(shuō)法，如果玻爾是正確的在物理學(xué)中量子指什么，但在檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)之前的實(shí)際方向是不確定的，那么這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的相關(guān)性意味著檢測(cè)到其中一個(gè)旋轉(zhuǎn)將立即修補(bǔ)另一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向——無(wú)論粒子有多遠(yuǎn)。 愛(ài)因斯坦將這些非凡的聯(lián)系稱為“遠(yuǎn)距離的怪異行為”。 但這些現(xiàn)象應(yīng)該是不可能的，因?yàn)閻?ài)因斯坦的狹義相對(duì)論表明沒(méi)有任何效應(yīng)可以比光傳播得更快。
薛定諤覺(jué)得這些相關(guān)性存在于粒子的“糾纏”之間。 自 20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)的實(shí)驗(yàn)表明，它是一種真正的量子現(xiàn)象。 但這并不意味著量子粒子可以通過(guò)愛(ài)因斯坦的奇思妙想突然以某種方式相互影響。 更好的說(shuō)法是，單個(gè)粒子的量子特性不一定在空間中的某個(gè)固定位置確定，而可能是“非局部的”：僅在其他地方的另一個(gè)粒子中完全指定，其形式雖然破壞了我們的直覺(jué)空間概念和距離。
薛定諤的貓出現(xiàn)在他對(duì) EPR 糾纏特性的思考中。 薛定諤想要證明玻爾的觀點(diǎn)，即如果我們想象糾纏高于日常規(guī)范，那么在我們檢查之前沒(méi)有什么是固定的可能會(huì)導(dǎo)致邏輯上的愚蠢。 他的思想實(shí)驗(yàn)將這只倒霉的貓放在一個(gè)封閉的袋子里，袋子里裝有一瓶致命的毒藥在物理學(xué)中量子指什么，可以通過(guò)某種機(jī)制打開(kāi)——與量子粒子或風(fēng)暴波纏繞在一起。 觸發(fā)器可能來(lái)自一個(gè)電子，如果它向下旋轉(zhuǎn)，它會(huì)破壞大桶，但如果它向上旋轉(zhuǎn)，則不會(huì)。 之后，您可以將電子投射到所謂的狀態(tài)疊加中，其中自旋向下和自旋向上都是檢測(cè)的可能結(jié)果。 如果旋轉(zhuǎn)在檢測(cè)之前是未定義的，那么貓的狀態(tài)也必須如此——你不能有意義地說(shuō)它是活的還是死的。 這一定是荒謬的。
薛定諤的觀點(diǎn)不僅僅是量子規(guī)則在應(yīng)用于日常規(guī)模時(shí)會(huì)導(dǎo)致明顯的廢話——你不需要那只貓。 更準(zhǔn)確地說(shuō)，他想找到一個(gè)極端的證明，說(shuō)明將任何明確狀態(tài)（活著或死去）的分配推遲到檢測(cè)（通過(guò)打開(kāi)盒子查看）可能會(huì)導(dǎo)致禁止意義的形成。
對(duì)于玻爾來(lái)說(shuō)，這可能是一個(gè)無(wú)效的情況——打開(kāi)袋子和看貓這樣的檢測(cè)對(duì)他來(lái)說(shuō)總是一個(gè)宏觀的，因此是經(jīng)典的過(guò)程，因此量子規(guī)則將不再適用。 但這樣的測(cè)試如何確保從量子到經(jīng)典的神奇過(guò)渡？
為什么不試驗(yàn)而不是爭(zhēng)論呢？ 問(wèn)題是，雖然薛定諤通過(guò)將它與某種原子級(jí)風(fēng)暴聯(lián)系起來(lái)來(lái)制造“量子”的想象非常好，但我們?nèi)绾巍蛘呤聦?shí)上——我們能否在實(shí)踐中做到這一點(diǎn)卻并非如此。 就量子態(tài)而言，生死疊加意味著什么，或者實(shí)際上是清楚的。
使用現(xiàn)代技術(shù)，我們可以想象為相對(duì)較大的物體創(chuàng)建定義明確的量子疊加——不像貓那么大，但比孤立的原子大得多——但可以檢測(cè)它們的特性。 這就是創(chuàng)造薛定諤的兔子的努力所在。
“許多化學(xué)家不希望大范圍出現(xiàn)任何意外，”英國(guó)代爾夫特理工學(xué)院的 ? 說(shuō)。 “這是日常物品的典型比例。
新實(shí)驗(yàn)表明，與薛定諤的想法不同，相對(duì)較大的物體確實(shí)表現(xiàn)出違反直覺(jué)的量子行為。
10 微米長(zhǎng)的硅束的顯微圖像
這種 10 微米長(zhǎng)的硅光束用于創(chuàng)建幾乎宏觀物體的量子熱組合。量子納米科學(xué)系 Gr? 實(shí)驗(yàn)室
Gr? 和他的朋友們創(chuàng)造了硅微晶束，每束長(zhǎng) 10 微米，橫截面為 1 x 0.25 微米。 每個(gè)沿光束都有孔，可以吸收和捕獲紅外激光。 然后，研究人員用疊加的光線對(duì)光束進(jìn)行爆破，每條光束一個(gè)。 通過(guò)這樣做，他們能夠?qū)墒饧m纏成一個(gè)單一的量子振動(dòng)狀態(tài)。 你可以把它想象成兩只糾纏在一起的貓的超小等價(jià)物。
?? 和美國(guó)阿爾托學(xué)院的朋友以及 Gr? 的自然小組在背靠背的論文中報(bào)道了機(jī)械振蕩器之間的另一種糾纏。 他們用超導(dǎo)線連接了兩個(gè)微小的鼓面形金屬板。 電纜線可以包含以微波頻率振蕩的電壓（每秒約 50 億次振動(dòng)）； 它的電磁場(chǎng)對(duì)振動(dòng)板施加壓力。 “電磁場(chǎng)作為一種媒介將兩個(gè)鼓面推入糾纏的量子狀態(tài)，”?? 說(shuō)。
長(zhǎng)期以來(lái)，研究人員一直試圖在像這個(gè)包含數(shù)十億個(gè)原子的“大型”微機(jī)械振蕩器中實(shí)現(xiàn)疊加和糾纏等量子效應(yīng)。 “自 20 世紀(jì) 70 年代后期以來(lái)，機(jī)械振蕩器中的糾纏態(tài)一直在理論上進(jìn)行討論，但在過(guò)去幾年中，技術(shù)上才有可能創(chuàng)造這種狀態(tài)，”?? 說(shuō)。
此類實(shí)驗(yàn)之所以如此強(qiáng)大，是因?yàn)樗鼈兝@過(guò)了將小物體從受量子規(guī)則支配的物體轉(zhuǎn)變?yōu)榉慕?jīng)典數(shù)學(xué)的物體的通常過(guò)程。 這個(gè)過(guò)程，同時(shí)提供了檢測(cè)困境中缺失的部分（至少是大部分），讓玻爾非常費(fèi)解。
它被稱為退相干——但是，相當(dāng)巧妙地，它都是糾纏。 根據(jù)量子熱力學(xué)，糾纏是兩個(gè)量子物體之間任何相互作用的必然結(jié)果。 因此，如果一個(gè)物體——比如一只貓——開(kāi)始時(shí)是狀態(tài)的疊加，那么這些疊加——你可能會(huì)說(shuō)這些量子——隨著物體與其環(huán)境的相互作用而展開(kāi)，并越來(lái)越多地與其環(huán)境糾纏在一起。 如果你想真正觀察疊加態(tài)，你需要推導(dǎo)所有糾纏粒子的量子行為。 這很快看起來(lái)是不可能的，因?yàn)樗鼤?huì)分散墨水中的所有原子，因?yàn)樗鼤?huì)在游泳池中擴(kuò)散。 由于與環(huán)境的相互作用，原始粒子的量子特性被泄漏和分散。 那就是退相干。
量子理論家長(zhǎng)期以來(lái)一直表明，退相干會(huì)產(chǎn)生經(jīng)典數(shù)學(xué)中所見(jiàn)的行為。 實(shí)驗(yàn)家已經(jīng)在可以控制退相干率的實(shí)驗(yàn)中證明了這一點(diǎn)，其中隨著退相干的進(jìn)行，粒子的波狀干涉等特征量子效應(yīng)逐漸消失。
為此，退相干是當(dāng)前對(duì)量子正則位移理解的核心。 物體表現(xiàn)出量子行為的能力，例如由糾纏引起的干涉、疊加和相關(guān)性，與其大小無(wú)關(guān)。 相反，它取決于它與環(huán)境的糾纏程度。
不過(guò)，尺寸通常會(huì)發(fā)揮作用，因?yàn)槲矬w越大，就越容易與其周圍環(huán)境和室內(nèi)裝潢糾纏在一起。 像貓這樣的大型、溫暖、不安分的物體沒(méi)有希望以任何方式維持量子熱疊加，但或多或??少會(huì)立即消除它。
如果你只是把一只貓放在一個(gè)袋子里，并將它的命運(yùn)與某種量子風(fēng)暴的結(jié)果聯(lián)系起來(lái)，你就不可能把它置于生與死的疊加狀態(tài)，因?yàn)橥讼喔蓭缀鯐?huì)立即迫使它進(jìn)入一種狀態(tài)或其他。 . 假設(shè)您可以通過(guò)消除與環(huán)境的所有交互來(lái)抑制退相干（無(wú)需在超級(jí)真空中殺死貓！）——好吧，那是另一個(gè)故事，爭(zhēng)論仍然存在。 幾乎無(wú)法想象如何為貓實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。 但這實(shí)際上是 Gr? 和 ?? 的團(tuán)隊(duì)用他們的微型振蕩器取得的成果。
我們不是自上而下地研究量子規(guī)范邊界，看看我們是否能讓量子在足夠小時(shí)振動(dòng)，而是自下而上地研究它。 由于我們知道疊加和干涉等量子效應(yīng)很容易在單個(gè)原子甚至小分子中看到，我們可能想知道隨著我們不斷添加更多原子，這種效應(yīng)能持續(xù)多久。 三個(gè)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)探索了這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)將它們糾纏在一種稱為玻色-愛(ài)因斯坦冷凝器 (BEC) 的狀態(tài)中，從而在數(shù)萬(wàn)個(gè)超冷原子的云中實(shí)現(xiàn)量子態(tài)。
愛(ài)因斯坦和美國(guó)化學(xué)家 Nath Bose 強(qiáng)調(diào)，這些狀態(tài)可能存在于玻璃骰子（以玻色命名）中，玻璃骰子是兩種常見(jiàn)的基本粒子之一。 在 BEC 中，所有粒子都處于相同的單一量子態(tài)，這實(shí)際上意味著它們充當(dāng)一個(gè)巨大的量子物體。 由于它是一種量子效應(yīng)，玻色-愛(ài)因斯坦收斂?jī)H在極低的溫度下發(fā)生，而 BEC 僅以其最純粹的形式——一團(tuán)玻璃狀骰子粒子——于 1995 年在銣原子中冷卻至十億分之一度，低于絕對(duì)零.
由這些超冷原子制成的 BEC 為化學(xué)家提供了一種研究量子現(xiàn)象的新媒介。 過(guò)去，研究人員已經(jīng)表明，這樣的云——可能有幾千個(gè)原子——可以處于所有原子都量子糾纏的狀態(tài)。
法蘭克福的美國(guó)萊布尼茨研究所說(shuō)，這嚴(yán)格來(lái)說(shuō)不是薛定諤的兔子。 這些通常被定義為盡可能不同的狀態(tài)的疊加：例如，所有狀態(tài)都有向下旋轉(zhuǎn)和向上旋轉(zhuǎn)（類似于“活著”和“死去”）。 在這個(gè)糾纏的原子云中并非如此。 盡管如此，他們一直在相對(duì)大規(guī)模地展示量子行為。
然而，還有一個(gè)更重要的條件，即它們是 EPR 式糾纏的“小貓級(jí)”體現(xiàn)。 這些原子在空間中混雜在一起，并且是相同的，無(wú)法區(qū)分。 這意味著雖然它們糾纏在一起，但你看不到這里一個(gè)對(duì)象的屬性和那里另一個(gè)對(duì)象的屬性之間的相關(guān)性。 “玻色-愛(ài)因斯坦超冷原子團(tuán)，由大量難以區(qū)分的原子組成，在任何數(shù)學(xué)意義上都是可觀察到的，”說(shuō)。 “因此，糾纏的最初定義 [如 EPR 思想實(shí)驗(yàn)所描述的那樣] 未能在其中實(shí)現(xiàn)。” 事實(shí)上，無(wú)法區(qū)分的粒子之間糾纏的整個(gè)概念在理論上是有爭(zhēng)議的。 德國(guó)海德堡研究所的研究人員說(shuō)：“這是因?yàn)榧m纏的概念需要定義相互糾纏的 [不同] 子系統(tǒng)的可能性。”
更清晰的糾纏，直接類似于 EPR 思想實(shí)驗(yàn)中空間分離粒子的糾纏，現(xiàn)已在法蘭克福小組、赫克斯堡小組（由 領(lǐng)導(dǎo)）和英國(guó)巴塞爾團(tuán)隊(duì)的三個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)中得到證明。 由首爾大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)。 “當(dāng)在這些空間分離的系統(tǒng)之間觀察到糾纏時(shí)，與經(jīng)典化學(xué)的沖突尤為突出，”說(shuō)。 “這是 1935 年 EPR 論文中考慮的情況。”
這三個(gè)小組都使用由數(shù)百至數(shù)千個(gè)銣原子組成的云，這些銣原子被保持在電磁捕獲場(chǎng)中（由“原子芯片”上的微觀元素或通過(guò)交叉激光束形成）。 研究人員使用紅外激光來(lái)爆發(fā)原子載流子中的量子躍遷，并尋找自旋值之間的相關(guān)性，這是糾纏的標(biāo)志。 實(shí)際上，海德堡和巴塞爾團(tuán)隊(duì)處理的是一個(gè)小云中的兩個(gè)不同區(qū)域，但該團(tuán)隊(duì)實(shí)際上通過(guò)在中間插入一個(gè)空白來(lái)分割云。
巴塞爾和海德堡小組通過(guò)一種稱為量子操縱的效應(yīng)證明了糾纏，其中兩個(gè)糾纏區(qū)域的顯著相互依賴性被用來(lái)促進(jìn)一個(gè)區(qū)域的檢測(cè)，以便研究人員可以預(yù)測(cè)另一個(gè)區(qū)域的檢測(cè)。 “'指導(dǎo)'一詞是由薛定諤引入的，”解釋道。 “這意味著，根據(jù)A區(qū)的探測(cè)結(jié)果，我們用來(lái)描述系統(tǒng)B的量子態(tài)發(fā)生了變化。” 但這并不意味著 A 和 B 之間有任何即時(shí)的信息傳遞或通信。“因?yàn)闄z測(cè)的結(jié)果仍然是概率性的，所以對(duì)遠(yuǎn)距離系統(tǒng)的狀態(tài)沒(méi)有確定性的控制，”說(shuō)。 “沒(méi)有任何因果關(guān)系。”
這樣的結(jié)果“非常令人興奮”，柏林自由學(xué)院的延斯說(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)工作。 “很久以前就已經(jīng)建立了原子蒸汽的糾纏，”他說(shuō)，“但這里的不同之處在于這種系統(tǒng)的可輪詢性和控制水平。”
不僅可以更清楚地展示空間分離區(qū)域之間的糾纏，而且以這些方式進(jìn)行操作還有實(shí)際優(yōu)勢(shì)：您可以分別處理不同的區(qū)域以進(jìn)??行量子信息處理。 “即使在原則上，也不可能在不影響所有其他原子的情況下解決 BEC 中的單個(gè)原子，因?yàn)樗鼈兌嘉挥谕晃恢茫闭f(shuō)。 “然而，如果我們能夠獨(dú)立解決兩個(gè)空間分離的區(qū)域，那么這種糾纏似乎對(duì)量子信息任務(wù)很有用，例如量子隱形傳態(tài)或糾纏交換。” 然而，這需要將云的化學(xué)分離減少到 的限制之外。 他補(bǔ)充說(shuō)，目前的實(shí)驗(yàn)。 理想情況下，比如說(shuō)，您可以將云進(jìn)一步定義為可單獨(dú)輪詢的原子。
像這樣的“大”量子物體也可能使我們能夠探索新的數(shù)學(xué)：例如，找出當(dāng)引力開(kāi)始對(duì)量子行為產(chǎn)生重大影響時(shí)會(huì)發(fā)生什么。 “通過(guò)這些控制和操縱大糾纏態(tài)的新方法，可以在引力理論中進(jìn)行復(fù)雜的量子效應(yīng)測(cè)試，”說(shuō)。 例如，有人提出引力效應(yīng)可能導(dǎo)致量子態(tài)化學(xué)坍縮成經(jīng)典物質(zhì)，這些想法原則上適用于大質(zhì)量疊加態(tài)或糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)。 測(cè)試化學(xué)坍縮模型的一種方法是在不同的原子“物質(zhì)波”之間進(jìn)行干涉——他補(bǔ)充說(shuō)，他的團(tuán)隊(duì)分裂的、糾纏的 BEC 可以用作這樣的原子干涉儀。 “隨著系統(tǒng)規(guī)模的減小，大多數(shù)數(shù)學(xué)家可能不會(huì)預(yù)料到量子化學(xué)會(huì)突然崩潰，”他說(shuō)。 但補(bǔ)充說(shuō)，“如果對(duì)物體的大小有一個(gè)基本的限制，這在實(shí)驗(yàn)和理論上仍然是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。”
“最有趣的問(wèn)題是，如果某個(gè)基本規(guī)范無(wú)法以某種方式糾纏在一起怎么辦，”?? 說(shuō)。 因?yàn)橐?dǎo)致的坍縮。”如果引力確實(shí)起作用，這可能會(huì)提供一些線索，說(shuō)明如何發(fā)展一種量子引力理論，將目前不相容的量子力學(xué)和廣義相對(duì)論理論結(jié)合起來(lái)。
這對(duì)薛定諤的兔子來(lái)說(shuō)是一個(gè)絕妙的把戲。 就目前而言，他們指出了一種普遍的信念，即除了將自身旋轉(zhuǎn)成一個(gè)日益沮喪的貓搖籃之外，量子行為沒(méi)有什么特別之處，我們的規(guī)范網(wǎng)絡(luò)就是從這個(gè)搖籃中誕生的。 并且不會(huì)在此過(guò)程中殺死任何貓。
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