国际科研团队实现重大突破 创制迄今最大"薛定谔猫态"量子系统

长期以来,量子理论在微观世界屡获验证,但“为何宏观世界不呈现叠加态”的问题仍是基础科学的关键议题之一。

1935年,奥地利物理学家薛定谔以“猫”的思想实验将这一矛盾形象化:若微观放射性事件处于“发生与未发生”的叠加,按量子逻辑,宏观对象似乎也应同时处于两种结果之中。

现实中的猫当然不会“既死又活”,这正提示了量子相干在宏观尺度面临快速丧失的难题,也引出了“量子—经典”边界如何形成的追问。

此次研究的核心进展在于:科研人员将可被量子操控的对象进一步“做大”,并以更有利于观测的方式拉开叠加态之间的差异,从而显著提高了衡量“猫态接近宏观程度”的指标——宏观度。

报道显示,研究团队在约77开尔文的低温、超高真空环境中制备钠原子簇,原子数约7000个,原子簇直径约8纳米。

随后通过激光干涉手段确认其表现出量子波动性,并实现“同一对象处在两个位置的叠加”这一关键特征:两位置间距约133纳米,达到原子簇自身尺度的10倍以上。

相较之下,尽管此前有实验让质量更大的晶体进入类似“猫态”,但由于叠加位置间距较小,其宏观度受限,难以在“可见差异”层面进一步逼近宏观直觉。

从原因看,宏观度之所以难以提升,主要受三方面制约:一是对象越大,与环境的相互作用通道越多,外界扰动更容易“读取”其状态并触发退相干;二是叠加态两分量的差异越大,系统越易被噪声放大,实验上更难保持相干;三是相干持续时间越长,对隔离、冷却与控制精度要求呈指数级上升。

研究团队选择原子簇这一介于单个粒子与宏观固体之间的体系,并在低温和高真空条件下降低碰撞与热噪声,配合干涉测量实现对量子相位信息的读取,体现了当前实验量子物理在“隔离—操控—测量”全链条能力的提升。

就影响而言,这一成果的意义首先在于基础层面:它为寻找微观规律向宏观现象过渡的界线提供了可量化、可比较的实验样本。

退相干被普遍视为“叠加态为何在宏观世界消失”的重要机制,实验把“猫”做得更大、把两种状态分得更开,有助于更清晰地追踪量子相干如何被环境噪声、粒子散射、电磁涨落等因素逐步抹平,从而让系统呈现出确定的经典结果。

其次在技术层面,理解并抑制退相干是量子信息科学的核心课题。

量子计算依赖量子比特在一定时间内保持相干叠加,才能进行并行计算与纠错;而任何对退相干机制的定量认知,都会反过来推动材料选择、隔离方案、控制算法与测量手段的改进。

在对策与路径上,国际研究趋势显示,提升量子系统可扩展性离不开多线并进:一方面通过更低温、更高真空、更精细的电磁屏蔽与振动隔离压制外界噪声;另一方面发展更高精度的操控与读出技术,减少测量引入的反作用;同时探索更稳健的量子体系与编码方式,以容错和纠错策略抵御不可避免的扰动。

原子簇“猫态”的推进,为这些路线提供了新的实验平台:既比单粒子更接近复杂系统,又比宏观固体更便于精准控制,有望在“可操控复杂度”和“可观测宏观度”之间取得更好的平衡。

展望未来,相关研究可能沿三条方向继续深化:其一,进一步扩大叠加对象的规模或增大两态间差异,检验不同理论模型对退相干速率的预测;其二,把“更大更久”的相干叠加与更复杂的量子操作结合,向可执行量子信息任务的方向靠拢;其三,加强不同物理体系之间的对照研究,在原子、分子、固体器件等平台上形成可互证的规律图谱。

随着实验精度提升与交叉学科方法介入,量子—经典边界将从抽象讨论逐步走向可重复、可测量的科学问题。

薛定谔猫从一个思想实验逐步演变为可以在实验室中观察和测量的物理现象,这本身就是科学进步的生动写照。

每一次宏观度的提升,都代表人类对量子世界认识的深化。

当我们能够让越来越大的物体同时处于多个量子态时,我们距离真正理解自然界的本质就更近了一步。

这项新成果不仅推动了基础物理学的发展,更为量子技术的实际应用铺平了道路。

可以预见,随着相关研究的不断深入,量子计算、量子通信等领域将迎来更加广阔的发展前景,而薛定谔猫这只"既死又活"的神秘之猫,也将继续引领我们探索宇宙的奥秘。