验证薛定谔的猫通过量子比特和晶体
即使你不是量子物理学家，你也很可能听说过薛定谔的著名猫。欧文·薛定谔（ErwinSchr?dinger）在年的一项思想实验中提出了可以同时活着和死亡的猫科动物。这个明显的矛盾——毕竟，在日常生活中，我们只看到猫是活的，要么是死的——促使科学家们试图在实验室中实现类似的情况。到目前为止，他们已经设法使用例如同时处于两个地方的量子力学叠加态的原子或分子来做到这一点。
在ETH中，由固体物理实验室教授YiwenChu领导的一组研究人员通过将一个小晶体置于两个振荡状态的叠加态中，创造了一个更重的薛定谔猫。他们的研究结果本周发表在《科学》杂志上，可能会导致更强大的量子比特，并揭示为什么在宏观世界中没有观察到量子叠加态的奥秘。
盒子里的猫在薛定谔最初的思想实验中，一只猫与放射性物质、盖革计数器和一瓶毒药一起被锁在一个金属盒子里。在一定的时间范围内——比如一个小时——物质中的原子可能会也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关闭并触发一种机制，粉碎装有毒药的烧瓶，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/死叠加状态。（薛定谔的想法在他位于苏黎世Huttenstrasse9的故居外被一个真人大小的猫形象所纪念）。
“当然，在实验室里，我们无法用一只重达几公斤的真猫实现这样的实验，”朱说。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一种所谓的猫状态。该电路本质上是一个量子比特或量子比特，可以采用逻辑状态“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比特的电场，因此量子比特的叠加态可以转移到晶体上。
在苏黎世联邦理工学院的实验中，猫由晶体中的振荡（顶部和左侧的爆炸）表示，而衰变的原子则由耦合到晶体的超导电路（底部）模拟。学分：苏黎世联邦理工学院同时在相反方向上振荡因此，晶体现在可以同时向两个方向振荡——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在一起，我们有效地创造了一只重达16微克的薛定谔猫，”Chu解释说。这大约是一粒细沙的质量，远不及猫的质量，但仍然比原子或分子重几十亿倍，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部原子位置的任何热或量子涨落。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检查这一点。尽管测量的分离只有十亿分之一米的十亿分之一-实际上比原子还小-但它足够大，可以清楚地区分状态。
用猫的状态测量小干扰在未来，楚想进一步突破她的水晶猫的质量极限。“这很有趣，因为它将使我们能够更好地了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，量子技术中还有潜在的应用。例如，存储在量子比特中的量子信息可以通过使用由晶体中大量原子组成的猫态来变得更加健壮，而不是像目前那样依赖单个原子或离子。此外，处于叠加状态的大质量物体对外部噪声的极端敏感性可用于精确测量微小的干扰，如引力波或检测暗物质。
更多信息：MariusBild等人，薛定谔猫对16微克机械振荡器的状态，科学（年）。DOI：10./science.adf
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