《科学》最新研究:给“薛定谔猫”第二个盒子会发生什么？

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世界上有很多有名的猫，但最神秘、最难以理解的猫莫过于既死又活的“薛定谔猫”。新一期美国《科学》杂志26日发表研究说，科学家在实验中制造出一种状态更加奇异的“薛定谔猫”，它同时存在于两个箱子之中，这项成果朝研制实用可靠的量子计算机迈出了又一步。

根据量子力学理论，物质在微观尺度上存在两种完全相反状态并存的奇特状况，这被称为有效的相干叠加态。由大量微观粒子组成的宏观世界是否也遵循量子叠加原理？奥地利物理学家薛定谔为此在1935年提出著名的“薛定谔猫”佯谬。

“薛定谔猫”假设了这样一种情况：将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，镭的衰变存在几率，放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死和活的叠加状态，这就是所谓“薛定谔猫”。

既死又活的猫在现实世界是荒谬的，但随着量子力学的发展，科学家已经成功使多粒子构成的系统达到这种难以理解的量子“薛定谔猫”态。由于这些粒子都属于同一种粒子，因此又被称为单模式猫态。

《科学》杂志发表的新研究第一次给单模式猫态引入量子纠缠的元素。量子纠缠是量子力学的另一个基本概念，大意是相隔很远的两个系统可以瞬间互相影响，被爱因斯坦称为“远距离闹鬼”。

论文第一作者、美国耶鲁大学博士后王晨告诉新华社记者：“我们产生的量子态可以比作一只‘薛定谔猫’跨越两个箱子，或者说是首次实现一种双模式猫态。这是一个20年前就有所展望但是至今终于得以圆满（解决）的难题。”

具体而言，他们设计了两个微波超导空腔，而“薛定谔猫”就是空腔内由几十个光子组成的驻波。驻波是指两个频率相同的波在沿相反方向传播时互相叠加而成的波。这两个空腔内的光子虽然频率不同，但跨空腔关联，如同一只“薛定谔猫”同时存在于两个箱子中。

王晨说，这项成果的实际用途在于量子计算。未来的量子计算机可以比普通的计算机强大得多，但要实现有用的量子计算，量子纠错能力必不可少，这是目前研制量子计算机的一个主要障碍，而双模式猫态将有望为量子计算的运算过程加入量子纠错。双模式猫态还可对其他量子信息技术有所帮助，如量子通信、量子精密测量等。

伦敦帝国学院物理教授Myungshik Kim指出，几十年前就有人在一个微波空腔里造出猫态，法国物理学家Serge Haroche还借着这个拿到了诺贝尔奖。但把两个空腔中的猫态关联在一起能帮助光状态的精确测量。

王晨所在的耶鲁实验室正在试图将这种猫态运用到量子位元(qubit)中以加速量子计算机的发展。目前量子计算机里99%的计算被用在纠正自身错误之上。关联量子位元的猫态可以帮助检查系统中的这些错误，节省量子计算所需的时间。

原文发布时间为：2016-05-30

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