打破紀錄！中國科學家讓薛定諤的貓活了23分鐘

白小交 西小瘋 發自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

量子物理領域，一新紀錄被中國科學家打破——

中科大團隊成功讓薛定諤的貓活了長達整整23分鐘！

什麼概念呢？

以往人們以薛定諤的貓「到底是生是死」來闡釋原子的量子疊加狀態。因為環境非常不穩定，所以這種狀態往往存續十分短暫——幾秒或者幾毫秒。

但現在這樣的存續時間有了質的飛躍，中國團隊成功讓這種量子疊加狀態持續了1400秒的時間。

這項研究由中科大少年班學院院長盧征天教授、合肥國家實驗室研究員夏添領銜，其成果發表在《自然·光子學》。

一旦證明這一長壽命薛定諤貓態的製備可行，那麼將來對於量子物理世界的研究有重要意義。

比如用來檢測和研究磁力、探索物理學中新的和奇異的效應，甚至可以用於非常穩定的量子計算機內存。

薛定諤的貓多活了23分鐘

先來簡單瞭解下物理學四大神獸之一——薛定諤的貓。

「薛定諤的貓」是一個著名的思想實驗，由奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤在1935年提出。

回顧一下實驗：

想像一個封閉的盒子裡有一個貓，一個裝有毒氣的瓶子，以及一個放射性原子。如果放射性原子衰變，就會觸發一個機制打碎瓶子，釋放毒氣，貓就會死。如果原子沒有衰變，貓就活著。

在量子力學中，放射性原子在沒有觀測之前，同時處於衰變和未衰變的疊加狀態。這意味著，在沒有打開盒子觀察之前，貓既是死的也是活的，處於一種生死疊加的狀態。

當我們打開盒子觀察貓的狀態時，量子疊加狀態會「坍縮」，貓的狀態從既是死又是活的狀態變為確定的死是活。這個過程也被稱為波函數坍縮。

而這種一個系統同時處於兩種或多種截然相反狀態的量子疊加，就是薛定諤貓態。

在實驗中實現和維持薛定諤貓態非常困難，因為這需要極高的隔離以防止溫度、磁場等環境干擾導致它們在幾秒或毫秒內坍縮到單一狀態。

本文研究科學家們歷史性地讓薛定諤貓態保持了長時間的穩定，相干時間長達23分鐘。

（相干時間是指量子系統在退相干之前能夠保持量子特性的時間，退相干指的是量子系統逐漸失去其量子特性的過程。）

在這個實驗中，薛定諤貓態是通過非線性自旋旋轉實現的，即原子的自旋同時指向兩個完全相反的方向。

具體來說，研究團隊利用波長為1036nm、功率為16W的線性偏振光晶格激光束（束腰為20μm），在魔術波長上捕獲了大約10⁴個¹⁷³Yb原子。原子首先在鄰近腔室的磁光阱中被預冷並加載，隨後通過移動光學偶極阱沿x軸方向輸送到測量室。

實驗裝置被四層磁屏蔽所保護，內置cos(θ)線圈在z方向上產生一個穩定均勻的1.24μT磁場，以最小化外部磁場干擾。

實現上，團隊採用了以下三步驟的創新方案：

• 使用與¹S₀(F=5/2)→¹P₁(F′=5/2)能級躍遷共振的σ+偏振泵浦激光脈衝，將原子初始化到|F, F⟩拉伸態。

• 應用離共振的σ⁺偏振控制激光束，沿x軸方向傳播，通過調節非線性交互作用（張量交流斯塔克位移）誘導自旋旋轉。

• 使用與¹S₀(F=5/2)→³P₁(F′=7/2)能級躍遷共振的σ⁺偏振探測光束測量|F, F⟩態中的歸一化布居數，利用光學晶格引入的差分張量光移位進行狀態選擇性測量。

通過精確控制控制激光的頻率和強度（80 mW/cm²），實驗中測得的拉比頻率為：

這一系列精確操作成功製備出了¹⁷³Yb原子的薛定諤貓態，該狀態是具有自旋量子數5/2的原子核自旋投影態m=+5/2和m=−5/2的量子疊加。

關鍵是，團隊發現這個貓態被保護在無退相干子空間中，對光晶格產生的非均勻張量光移具有免疫力。這是因為光晶格的哈密頓量Hₜ與貓態密度矩陣ρcat和Hₒ都對易，從而避免了光場帶來的退相干。

這使得貓態實現了1.4(1)×10³秒的超長相干時間，即約23分鐘，遠超常規相干自旋態（CSS）在相同條件下實現的0.9(2)×10³秒相干時間。

值得注意的是，目前實驗中的真空阱壽命為71(1)秒，研究人員指出通過改善真空條件，貓態的壽命有望進一步延長以匹配其相干時間，同時還可以借助自旋回波技術來進一步減少退相干效應。

測量靈敏度接近海森堡極限

為表徵貓態對1.24-μT靜態磁場的靈敏度，研究人員進行了藍斯干涉測量。

通過兩個間隔為τ的(π/2)cat脈衝序列，在160秒的測量時間內，態的布居數保持在0.90(3)，干涉條紋對比度達到0.88(3)。

最終實現了0.12(1)nT的磁場測量靈敏度，比標準量子極限0.22nT提高了約1.8倍，接近海森堡極限（HL）的0.10nT。

作為對比，同樣條件下的相干自旋態只能達到0.70(10)nT的靈敏度，比標準量子極限0.22nT的靈敏度差了約3.2倍。

這項工作的意義體現在多個方面。

具有長相干時間的高自旋系統在量子科技領域具有廣泛應用前景，可用於發展量子存儲器，並為量子計算中的錯誤糾正提供必要的冗餘度。

特別值得一提的是，這項工作為尋找自旋傳感器提供了新的可能性。傳統上，具有基態J=0和核自旋I=1/2的原子（如³He、¹²⁹Xe、¹⁷¹Yb和¹⁹⁹Hg）被認為是理想的自旋傳感器候選者。

而這項研究表明高自旋同位素同樣可以勝任這一角色。例如，¹⁷¹Yb/¹⁷³Yb這樣的同位素對為開發雙物種冷原子共磁力計提供了新的可能性。

更重要的是，這個展現出接近海森堡極限磁場測量靈敏度的貓態，不僅可用於高精度磁場測量，還可應用於尋找永久電偶極矩、檢驗洛倫茲不變性，以及探索超出標準模型的新物理現象，為量子精密測量領域開闢了新的研究方向。

中科大少年班院長領銜

此次研究來自中科大夏添、盧征天、鄒長鈴等人一起合作。

通訊作者之一盧征天，目前是中國科學技術大學物理學院傑出講席教授、少年班學院院長。

研究方向包括檢驗時空及物質與反物質之間的對稱性，尋找標準模型之外的新物理；發展超靈敏同位素痕量探測新技術，同時開展在地球與環境科學中的應用；對於原子核、原子與分子的精密測量。

另一位通訊作者夏添，目前是合肥國家實驗室研究員。他本科畢業於清華大學，隨後前往普林斯頓大學攻讀博士。

研究方向包括通過對原子固有電偶極矩的測量來檢測基本作用中對稱性的破缺來尋找標準模型之外的新物理；以原子物理為平台的精密測量；以中性原子為平台的量子信息；用光抽運的方法實現原子自旋的磁極化。

對於這項成果，研究人員表示，這一長壽命薛定諤貓態的製備，將為原子磁力計、量子信息糾錯以及探索新物理等開闢出新途徑。

參考鏈接：

[1]https://www.wired.com/story/scientists-have-pushed-the-schrodingers-cat-paradox-to-new-limits

[2]https://news.ustc.edu.cn/info/1056/89559.htm

[3]https://arxiv.org/abs/2410.09331v1