即使你不是量子物理学家，你也很可能听说过Schrödinger那只著名的猫。Erwin Schrödinger在1935年的一个思想实验中提出了可以同时活着和死去的猫。显而易见，这是很矛盾的。毕竟，在日常生活中我们只能看到非活即死的猫，这促使科学家们尝试在实验室中实现类似的情况。到目前为止，他们已经设法做到了这一点，例如，使用处于量子力学叠加状态的原子或分子同时存在于两个地方。

在 ETH，由固态物理实验室教授 Yiwen Chu 领导的一个研究小组，通过将一个小晶体置于两个振荡状态的叠加中，现在已经创造了一个实质上更重的Schrödinger猫。他们的研究结果发表在《科学》杂志上，这一研究结果可能会导致更健壮的量子比特，并揭示为什么量子叠加在宏观世界中没有被观察到的奥秘。

盒子里的猫

在薛定谔最初的思想实验中，一只猫与一种放射性物质、一个盖革计数器和一瓶毒药一起被锁在一个金属盒子里。在一个特定的时间范围内，比如一个小时，物质中的一个原子可能会或可能不会以一定的概率通过量子力学过程衰变，衰变产物可能会导致盖革计数器失效，触发一种机制，打碎装有毒药的烧瓶，最终杀死猫。

由于外部观察者无法知道原子是否真的衰变，他或她也不知道猫是活的还是死的——根据控制原子衰变的量子力学，它应该处于活/死状态叠加态。

“当然，在实验室里，我们无法用一只几公斤重的真猫来进行这样的实验，”Chu说。相反，她和她的同事设法使用代表猫的振荡晶体和代表原始原子的超导电路创造了所谓的猫态。该电路本质上是一个量子位或量子位，可以呈现逻辑状态“0”或“1”或两种状态的叠加“0+1”。

量子比特和晶体“猫”之间的联系不是盖革计数器和毒药，而是一层压电材料，当晶体在振荡时改变形状时会产生电场。该电场可以耦合到量子位的电场，因此可以将量子位的叠加状态转移到晶体。

在苏黎世联邦理工学院的实验中，猫是由晶体中的振荡(顶部和左边的放大)来表示的，而衰变原子是由一个与晶体耦合的超导电路(底部)来模拟的。

相反方向的同时振荡

结果，晶体现在可以同时在两个方向上振荡，例如，向上/向下和向下/向上。这两个方向代表猫的“活”或“死”状态。“通过将晶体的两种振荡状态叠加，我们有效地创造了一只重 16 微克的薛定谔猫，”Chu 解释道。这大约是一粒细沙的质量，远不及猫的质量，但仍比原子或分子重数十亿倍，使其成为迄今为止最胖的量子猫。

为了使振荡状态成为真正的猫状态，重要的是它们在宏观上是可区分的。这意味着“向上”和“向下”状态的分离应该大于晶体内原子位置的任何热或量子波动。Chu 和她的同事通过使用超导量子比特测量两种状态的空间分离来验证这一点。尽管测量到的距离只有一米的十亿分之一——比原子还小，但事实上，它已经大到足以清晰地区分状态。

用cat态测量小干扰

未来，Chu 想进一步突破水晶猫的质量限制。“这很有趣，因为它将使我们更好地理解量子效应在真实猫的宏观世界中消失的原因，”她说。

除了这种相当学术的兴趣之外，量子技术也有潜在的应用。例如，通过使用由晶体中大量原子组成的猫态，而不是像目前所做的那样依赖单个原子或离子，可以使存储在量子比特中的量子信息更加鲁棒。此外，叠加态的大质量物体对外部噪声的极端敏感性可以用于精确测量微小干扰，如引力波或探测暗物质。微小扰动或探测暗物质。

参考链接：https://phys.org/news/2023-04-heaviest-schrdinger-cat-small-crystal.html