重達 16 微克的藍寶石晶體是迄今為止存在於兩種振動狀態的量子力學疊加態中的最大物體。蘇黎世聯邦理工學院 (ETH Zurich) 混合量子系統組的研究人員激發了晶體的振動，使其原子同時沿兩個相反方向來回振盪——從而使整個晶體處於所謂的量子疊加態。
正如該研究小組在科學雜誌上報道的那樣，這種情況很像物理學家埃爾溫·薛定諤著名的思想實驗中的貓。在薛定諤的量子力學場景中，一隻貓同時處於活和死的狀態，這取決於原子的衰變，原子衰變會釋放一瓶毒藥。新實驗中的藍寶石晶體已被置於宏觀等效的“貓態”中。這種狀態可以幫助科學家理解量子世界的規律如何以及為何過渡到較大物體的經典物理學規則。
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為了讓由約 1017 個原子組成的藍寶石像量子力學物體一樣表現，研究小組使其振盪並將其耦合到超導電路。（用最初的思想實驗的術語來說，藍寶石是貓，而超導電路是衰變的原子。）該電路被用作量子位，或同時處於“0”和“1”狀態的量子資訊位。然後，電路的疊加態被轉移到晶體的振盪。因此，晶體中的原子可以同時沿兩個方向移動——例如，向上和向下——正如薛定諤的貓同時處於死亡和活著的狀態一樣。
重要的是，這兩個狀態（活和死或上和下）之間的距離必須大於量子不確定性原理所描述的距離，蘇黎世聯邦理工學院的科學家們證實了這一點。研究人員使用超導量子位，成功地確定了晶體兩種振動狀態之間的距離。大約為 20 億分之一奈米，它非常小——但仍然足夠大，可以毫無疑問地區分這兩種狀態。
耶路撒冷希伯來大學研究量子力學電路的物理學傢什洛米·科特勒說，這些發現“突破了實際實驗室實驗中可以被認為是量子力學的界限”。科特勒沒有參與這項研究。
對於量子力學物體——存在於原子和亞原子粒子尺度——這種經典不相容狀態的疊加很常見。另一方面，由非常多原子組成的宏觀物體通常遵循經典力學：它們不能同時呈現兩種矛盾的狀態。正如貓不能同時處於活和死的狀態一樣，晶體也不能同時上下振動。然而，這裡最大的謎題是為什麼通常不能這樣。畢竟，無論物體有多大，它都是由遵守量子物理學規則的原子和亞原子粒子組成的。
科特勒指出，尋找更大的貓態是“擴充套件”觀察到的量子力學物體“極限”的一種方式——在本例中，透過證明像 16 微克這樣大的東西可以存在於這種狀態下。（不過，需要明確的是，16 微克仍然是微觀的。）
對於為什麼較大的物體不遵循量子力學，有幾種可能的解釋。例如，隨著原子數量的增加，可能會有越來越多的影響導致量子力學狀態衰變。另一種可能性是引力發揮作用。希望更大的貓態可以幫助最終解決薛定諤的貓之謎。
事實上，蘇黎世聯邦理工學院的馬泰奧·法德爾與馬裡烏斯·比爾德和於·楊共同領導了這項研究，他希望在團隊在藍寶石和超導體方面的成功基礎上，測試其中的一些可能性。“我對探索我們裝置在研究基礎物理學方面的潛力很感興趣，包括低能量量子引力現象學，”法德爾說。
穩定的、可控的宏觀量子態——例如本研究中建立的那些——也具有技術意義。例如，它們可以用於日益複雜的量子計算機中的糾錯方法。科特勒解釋說，量子計算可以依賴於將用於處理的電子元件和用於儲存的機械物體連線起來的裝置——就像本文的作者將超導量子位元耦合到藍寶石晶體一樣。
本文最初發表於《明鏡線上》雜誌，經許可轉載。
編者注（2023 年 5 月 16 日）：本文在釋出後進行了更新，以澄清馬泰奧·法德爾共同領導了這項研究，並添加了有關研究小組的更多資訊。