編者注（2012年10月9日）：由於本文在諾貝爾委員會宣佈2012年諾貝爾物理學獎時被引用為進一步閱讀材料，我們特此免費提供本文文字30天。完整文章包含圖片，最初發表於1997年6月刊，可在此處購買 此處。
“我很抱歉我曾經與量子理論有任何關係，”據報道，埃爾溫·薛定諤向一位同事抱怨道。這位奧地利物理學家並非在哀嘆他現在著名的貓的命運，他在 1935 年將這隻貓比喻性地放在一個裝有毒藥瓶子的盒子裡。相反，他是在評論量子力學的奇怪含義，量子力學是電子、原子、光子和其他亞微觀物質背後的科學。薛定諤試圖用他的貓來說明這個問題：根據量子力學，粒子從一個點跳到另一個點，同時佔據多個位置，並且似乎以比光速更快的速度進行通訊。那麼為什麼貓——或者棒球、行星或人，就不是這樣呢？畢竟，它們是由原子組成的。相反，它們遵守艾薩克·牛頓量化的可預測的經典定律。量子世界何時讓位於日常生活的物理學？ “這是一個價值 64,000 美元的問題，”麻省理工學院的大衛·普里查德笑著說。
普里查德和其他實驗學家已經開始窺視量子領域和經典領域之間的邊界。透過用雷射束冷卻粒子或透過特殊腔體移動粒子，物理學家在過去一年中創造了小規模的薛定諤貓。這些“貓”是被製成同時位於兩個位置的單個電子和原子，以及被激發以兩種不同方式同時振動的電磁場。它們不僅戲劇性地展示了奇異如何輕易地讓位於熟悉，而且還戲劇性地說明了量子計算的障礙——量子計算是一種技術，仍然在很大程度上是推測性的，一些研究人員希望它可以解決現在極其困難的問題。
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量子-經典轉變的奧秘源於量子粒子的一個關鍵特性——它們可以像波一樣波動和傳播（反之亦然：光可以像稱為光子的粒子一樣反彈）。因此，它們可以用波函式來描述，薛定諤在 1926 年提出了波函式。波函式有點像量子社會安全號碼，包含了關於粒子的所有資訊，總結了其所有可能位置和運動的範圍。
從字面上看，波函式表明粒子同時存在於所有這些可能性中。然而，總是，一次觀察只會揭示其中一種狀態。在測量之後，特定結果如何甚至為什麼會出現是薛定諤思想實驗的重點：除了貓和毒藥之外，一個放射性原子也被放入盒子中。在一個小時內，原子有相等的衰變機會；衰變會觸發錘子，錘子會砸開裝有抗貓血清的小瓶。
測量問題
根據量子力學，未被觀察到的放射性原子仍然處於一種有趣的衰變和未衰變的狀態。這種狀態稱為疊加態，量子物體很容易進入這種狀態。電子可以同時佔據多個能級或軌道；單個光子在透過分束器後，似乎同時穿過兩條路徑。處於明確疊加態的粒子被稱為相干的。
但是，當量子物體與宏觀物體（如貓）耦合時會發生什麼？擴充套件量子邏輯，貓也應該保持在狀態的相干疊加態中，並且同時處於死亡和活著的狀態。顯然，這是荒謬的：我們的感官告訴我們，貓要麼是死的，要麼是活的，而不是兩者都是或都不是。用平實的語言來說，貓實際上是一種測量裝置，就像蓋革計數器或電壓表一樣。那麼，問題是，測量裝置不應該進入與它們旨在探測的量子粒子相同的模糊狀態嗎？
對於量子理論的創始人之一丹麥物理學家尼爾斯·玻爾（薛定諤向他表達了遺憾的評論），答案是測量必須使用經典裝置進行。在後來被稱為量子力學的標準解釋或哥本哈根解釋中，玻爾假定宏觀探測器永遠不會達到任何模糊的疊加態，但他沒有確切解釋為什麼不會。“他想用‘經典’來手動強制執行，”洛斯阿拉莫斯國家實驗室的沃伊切赫·祖雷克說。“測量就只是發生了。”玻爾還認識到，經典與量子之間的界限可以根據實驗的安排而轉移。此外，尺寸不一定重要：疊加態可以持續存在於比原子大得多的尺度上。
1995 年 11 月，普里查德和他的麻省理工學院同事結晶了測量的模糊性。該團隊將一束狹窄的鈉原子流透過干涉儀，這是一種使粒子有兩條路徑可走的裝置。路徑重新組合，每個原子都像波一樣“干涉”自身，在觀察螢幕上產生明暗條紋圖案（與雷射照射透過兩條狹縫時看到的相同）。量子力學的標準公式指出，原子同時走了兩條路徑，因此原子從源到螢幕的整個運動是原子透過兩條路徑運動的疊加態。
然後，該團隊將雷射對準其中一條路徑。這個過程破壞了干涉條紋，因為雷射光子從原子上散射會表明原子走了哪條路徑。（量子規則禁止“哪條路徑”資訊和干涉共存。）
從表面上看，這種散射似乎構成了破壞相干性的測量。然而，該團隊表明，透過將路徑之間的分隔更改為雷射光子波長的四分之一倍數，相干性可以“恢復”——也就是說，干涉圖案可以恢復。在這些分數處，無法分辨光子是從哪條路徑散射的。“相干性並沒有真正丟失，”普里查德闡明道。“原子與一個更大的系統糾纏在一起。”也就是說，原子的量子態與測量裝置耦合在一起，在本例中測量裝置是光子。
與之前的許多實驗一樣，普里查德的工作是已故的理查德·費曼多年前提出的建議的實現，它深化了量子物理學的奧秘，而不是解決它們。它表明測量裝置可以具有不明確的定義。那麼，在薛定諤的貓的情況下，測量是開啟蓋子嗎？還是當光線到達眼睛並被大腦處理時？還是貓毛上的靜電放電？
最近一系列薛定諤的貓實驗已經開始解決這些問題。並非所有物理學家都同意他們正在研究真正的量子貓——“小貓”是經常使用的術語，具體取決於所需的可愛程度。無論如何，這些嘗試確實表明，量子-經典轉變——有時稱為波函式的坍縮或態向量約化——終於開始走出思想實驗的領域，進入現實世界的研究。
來，小貓，小貓
1991 年，羅切斯特大學的卡洛斯·斯特勞德和約翰·耶澤爾正在研究所謂的裡德堡原子，以瑞典光譜學家約翰內斯·裡德堡的名字命名，他是電子與原子核之間結合能關係的發現者。通常，電子在距離原子核小於一奈米的距離處繞原子核執行；在裡德堡原子中，最外層電子的軌道膨脹了幾千倍。這種膨脹可以透過短暫的雷射脈衝來實現，雷射脈衝有效地將電子同時置於許多外層軌道中。在物理上，能級的疊加表現為“波包”，它在原子尺度上的巨大距離（約半微米）處繞原子核旋轉。波包代表激發電子位置的機率。
在使鉀原子膨脹時，羅切斯特的研究人員注意到，經過幾次軌道執行後，波包會分散，然後又以兩個較小的波包的形式在它的大軌道的兩端復活。斯特勞德和他的同事邁克爾·W·諾埃爾去年 9 月表明，這兩個波包構成了一個薛定諤的貓態——一個電子位於兩個位置。
然而，電子本質上只是一個點。更接近宏觀領域的是離子（帶電原子），它由許多基本粒子組成。1996 年 5 月，科羅拉多州博爾德市國家標準與技術研究所 (NIST) 的克里斯·門羅、戴維·J·溫蘭德及其同事用鈹離子創造了一隻薛定諤的貓。他們首先用電磁場捕獲離子，然後用雷射束照射離子，抑制離子的熱抖動，從而將其冷卻到接近絕對零度。然後，研究人員用兩束頻率略有不同的雷射束照射離子，以操縱其自旋，自旋是固有的量子特徵，指向向上或向下。透過雷射，研究人員使離子呈現自旋向上和自旋向下狀態的疊加態。
準備工作就這麼多；接下來是更宏觀的部分。透過操縱兩束雷射器的調諧，NIST 團隊可以將自旋向上狀態在空間中來回擺動，並將自旋向下狀態來回擺動。快照會顯示處於自旋向上狀態的離子在一個物理位置，同時處於自旋向下狀態的離子在第二個位置。這些狀態相隔 80 奈米——在原子尺度上很大。“我們使一個離子佔據了兩個位置，這兩個位置與原始離子的大小相比非常遙遠，”門羅說。
去年 12 月，巴黎高等師範學院 (ENS) 的米歇爾·布魯內、塞爾日·阿羅什、讓-米歇爾·雷蒙德及其同事將事情向前推進了一步。“我們能夠監測量子特徵的消失，”阿羅什解釋道。為了觀察疊加態如何坍縮為一個或另一個狀態，他們實際上在薛定諤的貓面前懸掛了一隻量子老鼠，以檢查它是死是活。
這隻貓是一個被捕獲的電磁場（腔體中的一堆微波光子）。研究人員將一個被激發到兩種不同能態疊加態的裡德堡原子送入腔體。裡德堡原子將其疊加態轉移到駐留的電磁場，使其處於兩種不同相位或振動狀態的疊加態。憑藉其兩個相位，該場因此類似於薛定諤的貓在生死之間的奇怪疊加態。
對於老鼠，ENS 團隊將另一個裡德堡原子發射到腔體中。然後，電磁場將關於其疊加相位的資訊傳遞給原子。物理學家將第二個原子與第一個原子進行比較，以收集關於電磁場的疊加資訊。
然而，更有趣的是該團隊控制關鍵變數並確定相干態如何變成經典態的能力。透過改變傳送到腔體中的兩個原子之間的時間間隔（從 30 微秒到 250 微秒），他們可以看到疊加態的坍縮如何隨時間變化，並且透過擴大電磁場（透過在腔體中放置更多光子），他們可以看到坍縮如何隨尺寸變化。“這是我們第一次能夠觀察到量子行為到經典行為的漸進演變，”阿羅什說。
“這是一個令人歎為觀止的實驗，”祖雷克熱情地說。“看到薛定諤的貓總是令人驚訝，但能夠看到貓被迫在‘死’和‘活’之間做出選擇，首次觀察到量子怪異性的消失，才是真正的妙招。”此外，ENS 的結果與大多數理論家的技術預期相符。“它告訴我的是，”祖雷克評論道，“我們一直在寫下的簡單方程似乎是一個很好的近似值。”
失去相干性
祖雷克是退相干理論的主要倡導者，該理論基於環境破壞量子相干性的觀點。他在 20 世紀 80 年代提出了該理論（儘管其中一部分可以追溯到玻爾和其他量子創始人），並且與不同的合作者一起一直在研究其後果。
不穩定的環境本質上是指任何可能受到量子系統狀態影響——並因此無意中“測量”量子系統狀態的事物：單個光子、分子的振動、空氣粒子。環境不僅僅是該理論中的“噪聲”；它充當不斷監測系統的裝置。
ENS 實驗清楚地表明瞭這種影響。“系統退相干是因為系統洩漏資訊，”祖雷克指出。一些光子可能會逸出腔體，因此將剩餘光子的狀態洩露給宇宙的其他部分。“所以在某種意義上，薛定諤的貓正在生出小貓，”祖雷克說。
讓環境定義量子-經典邊界具有消除某些作者宣揚的量子理論的神秘方面的優勢。它消除了對意識或新的物理力來影響經典結果的任何特殊需求。它還解釋了為什麼尺寸本身不是退相干的原因：像現實生活中的貓這樣的大型系統永遠不會進入疊加態，因為構成貓的所有粒子都會影響大量的環境引數，從而使相干性變得不可能。給定一個鐘擺上的一克擺錘和一些合理的假設，系統中波函式中的干涉項在納秒內降至其原始值的約 2.7–1,000——量子怪異性的幾乎瞬時消失。“追溯到玻爾的舊直覺是正確的，”祖雷克總結道，“儘管現在有一種物理機制來證實他的要求。”
儘管如此，祖雷克的退相干模型在某些人眼中仍然存在缺陷。“在我看來，退相干並沒有選擇特定的結果，”伊利諾伊大學的安東尼·J·萊格特認為。“在現實生活中，你會得到明確的宏觀結果。”
祖雷克認為，環境確實決定了最終出現在現實世界中的量子可能性。他稱之為環境誘導的超選擇或簡選擇的過程，拋棄了不切實際的量子態，只保留那些可以經受環境審查並因此可能變成經典態的狀態。“選擇是由環境完成的，因此您將無法預測允許的可能性中的哪一個將變為現實，”祖雷克觀察到。
這種解釋令人感覺不太滿意。祖雷克的方法“非常吸引人。它允許你計算事物，看到隨著疊加態變大，干涉條紋如何消失，”NIST 的門羅說。“但它仍然有一些奇怪的地方。他正在把東西掃到地毯下，但很難說是什麼地毯。”問題在於，退相干——以及實際上任何關於量子經典轉變的理論——必然是臨時的。量子疊加態必須以某種方式產生符合我們日常現實感的結果。這導致了迴圈邏輯：在宏觀世界中看到的結果源於量子世界，因為這些結果是我們看到的結果。一些著名的宇宙學家提倡的一種解決方案是笨拙的“多世界”解釋，該解釋認為波函式規定的所有可能性實際上都會發生。它們繼續存在於平行宇宙中。然而，這個想法是無法檢驗的，因為平行宇宙彼此之間永遠無法訪問。
激進的重新設計
萊格特認為，退相干和多世界思想的問題導致相當一部分人支援稱為 GRW 理論的觀點。這個概念是由的裡雅斯特大學的吉安卡洛·吉拉爾迪和圖利奧·韋伯以及帕維亞大學的阿爾貝託·裡米尼於 1986 年提出的。
在 GRW 方案中，粒子的波函式會隨著時間的推移而擴散。但是，波擴散“擊中”背景中神秘的“某物”的可能性很小。波函式突然變得區域性化。單個粒子只有很小的機會被擊中，大約每 1 億年一次。但對於宏觀的貓來說，其大約 1027 個粒子中至少有一個被擊中的機會很高，至少每 100 皮秒一次。貓永遠沒有機會進入任何型別的疊加態。因此，不需要退相干：貓的宏觀狀態是由自發微觀坍縮產生的。
一些問題困擾著這個模型。其中之一是觸發擊中的時間因素完全是任意的；支持者只是選擇一個產生合理結果的因素。然而，更重要的是觸發器的來源。“基本上，[存在] 一種無法用量子力學本身描述的通用背景噪聲，”萊格特解釋道。噪聲不僅僅是環境中的隨機過程；它具有獨特的數學風味。牛津大學的羅傑·彭羅斯在他的著作《心靈的陰影》中認為，觸發器可能是引力，這將巧妙地避開某些技術異議。
其他更激進的提議比比皆是。最著名的提議是由已故的大衛·玻姆提出的，他假定“隱變數”是量子力學的基礎。這些變數——以某種方式將波函式描述為真實力的屬性——將消除疊加態的概念並恢復確定性現實。與多世界思想一樣，玻姆的理論無法驗證：隱變數顧名思義，仍然是隱藏的。
鑑於這些選擇，許多在職物理學家都在訂閱退相干理論，即使它可以說未能完全解決測量問題，但它也做出了最少的信仰飛躍。“退相干確實回答了問題的物理方面，”祖雷克說，但沒有回答形而上學方面的問題，例如有意識的頭腦如何感知結果。“至少在我們對大腦和思維如何相關有更好的理解之前，不清楚你是否有權期望所有問題的答案，”他沉思道。
更大的疊加態可能使研究人員能夠開始排除一些理論——例如，GRW 和退相干對它們的預測規模不同。“我們想做的是轉向更復雜的系統，並糾纏比以前捕獲的僅僅 10 個粒子更多的粒子，”ENS 的阿羅什說。NIST 未來的實驗特別適合作為“退相干監測器”，門羅認為。“我們可以模擬噪聲以故意導致疊加態衰減。”萊格特提出使用由超導環製成的感測器（稱為 SQUID）：應該可以建立在環周圍沿相反方向流動的大電流。
儘管如此，還有很長的路要走。“即使在最壯觀的實驗中，最多你也只展示了大約 5,000 個粒子的疊加態。這離宏觀世界的 1023 特徵還差得很遠，”萊格特說，但他仍然表示支援。“我自己的態度是，應該嘗試做實驗，看看量子力學是否仍然有效。”
收縮電晶體，現在具有小於一微米的特徵，也可能帶來關於量子-經典轉變的見解。在幾年內，它們可能會達到幾十奈米的尺寸，這個領域有時被稱為介觀尺度。德雷塞爾大學的馮大絢推測，量子力學可能實際上並沒有導致經典力學；相反，兩種描述都源於它們之間物理領域中尚未發現的概念。
量子計算
即使實驗還不能完全解決測量問題，它們也為一個非常熱門的領域做出了巨大貢獻：量子計算。經典計算機由在 0 或 1 之間切換的電晶體構建。然而，在量子計算機中，“電晶體”保持在 0和 1 的疊加態（稱為量子位元或 qubit）；計算透過疊加態之間的相互作用進行，直到執行測量。然後疊加態坍縮，機器交付最終結果。理論上，由於它可以同時處理許多可能的答案，量子計算機可以在幾秒鐘內完成任務，例如分解大數以破解程式碼，而經典機器則需要數年才能完成。
1995 年 12 月，研究人員成功建立了量子雙位元系統。門羅和他的同事用鈹離子製造了一個稱為受控非門邏輯元件。離子被捕獲並冷卻到其最低振動狀態。這種狀態和第一個激發振動狀態構成一個位元。第二個位元是離子電子之一的自旋。雷射脈衝可以迫使位元進入疊加態，並根據第一個位元的狀態翻轉第二個位元。門的其他變體透過腔體中的原子耦合兩個光子，或透過探測器網路傳輸一對糾纏的光子。
然而，構建一臺有用的量子計算機（依賴於數千個離子的疊加態來執行數十億次操作）仍然令人懷疑。問題是什麼？疊加態的損失。邏輯閘必須足夠快才能在量子位元失去相干性之前工作。使用來自 NIST 門實驗的資料，阿羅什和雷蒙德在 1996 年 8 月的今日物理文章中計算出，給定 0.1 毫秒的門速度，位元必須在疊加態中保持至少一年才能完成有意義的計算（在本例中，是分解一個 200 位數字）。
其他物理學家不太悲觀，因為糾錯碼（在經典計算中是必不可少的）可能是解決方案。“它會給你關於如何修復損壞的指令，”紐約州約克鎮高地 IBM 托馬斯·J·沃森研究中心的戴維·迪文森佐說。
此外，迪文森佐指出，一種新的量子計算方法，即利用核磁共振 (NMR) 技術，可以將相干時間提高到一秒或更長時間。假設將液體（一杯咖啡）置於磁場中；由於熱振動和其他力的作用，咖啡因分子中只有百萬分之一的原子核會與磁場對齊。可以使用無線電波操縱這些突出的原子核，以使其自旋處於向上和向下的疊加態。與其他技術相比，這裡更容易保持相干性，因為經歷疊加態的核自旋受到周圍沸騰分子的動盪的良好保護，這種瘋狂的爭奪平均下來為零。進行計算的咖啡因有效地坐在颶風平靜的中心。最近，兩個小組透過 NMR 演示了量子計算，使用四量子位元版本來計算 1 加 1。更復雜的系統，可能使用 10 個量子位元，可能會在今年年底實現。
缺點是讀出。由於無法檢測單個自旋，研究人員必須測量所有分子的自旋——包括量子位元和非量子位元。因此，能夠維持許多自旋的複雜分子比簡單的分子“噪聲”更大。“他們將能夠做一些不錯的事情，”門羅說，“但超過大約 10 個位元，他們將遇到基本問題。”來自 10 個位元的輸出僅為單個位元輸出的 0.001 倍；對於 20 個位元，輸出下降了百萬分之一。因此，NMR 技術可能無法進入至少 50 個位元的有意義的計算領域。
然而，量子疊加態可能還有其他用途。斯特勞德提出在原子上儲存資料，因為裡德堡原子中的電子可以被製成佔據 2,500 個不同能級的疊加態。“這意味著電子的波函式可能非常複雜，可以編碼大量資訊，”斯特勞德闡述道。他透過在原子上寫入“OPTICS”在理論上證明了這種可能性。量子疊加態的其他用途，例如在密碼學、化學甚至隱形傳輸中，也已被證明。薛定諤的盒裝貓可能已經勝過了迄今為止最好的哲學家，但它似乎已經找到了足夠的理由留在原處。
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量子貓的用途
研究人員已經提出並演示了幾種利用糾纏和疊加量子態的技術，例如量子計算。其他一些方案包括以下內容
量子化學
使用雷射，研究人員可以將分子置於反應路徑的疊加態中；然後他們可以透過調整干涉程度來控制化學過程。去年 12 月，研究人員使用類似的技術分離了同位素。障礙包括效率水平不夠實用以及難以控制雷射的相位特性。
量子金鑰密碼學
量子金鑰密碼學比量子計算的前景好得多。合法的通訊者使用光子的極化建立共享金鑰。竊聽這些金鑰會立即被注意到，因為它會破壞金鑰光子的狀態。量子密碼學已被證明可以在光纖中執行幾公里。
量子隱形傳輸
這個想法與星際迷航無關，而與重建被破壞的資訊有關。關鍵是愛因斯坦-波多爾斯基-羅森效應，該效應表明兩個光子可以保持糾纏，無論它們相距多遠，直到進行測量（這會瞬間將兩者都置於確定的狀態）。愛麗絲取一個 EPR 光子，鮑勃取另一個。稍後，愛麗絲相對於第三個光子測量她的 EPR 光子。鮑勃可以使用關係測量來重新建立愛麗絲的非 EPR 光子。鮑勃是否真的使光子重新物質化，或者只是建立了一個無法區分的克隆尚不清楚。據報道，因斯布魯克大學的研究人員已經證明了這種現象，這種現象可能在量子密碼學中有所用途。
量子雷射光學
雷射器通常需要粒子數反轉，這種情況是指處於激發態的原子數量超過處於基態的原子數量；激發態原子在下降到基態時會發射雷射光子。1995 年，研究人員避開了這個要求。在無反轉雷射中，兩個耦合雷射器為基態原子提供了兩條通往一個更高能級的路徑。路徑之間的干涉使基態原子不可見，因此需要更少的激發態原子。這種雷射器不需要那麼多功率，並且原則上可以在理想的 X 射線區域發射光。