量子與經典之間的界限：在室溫下制備最重的薛定諤貓

薛定諤貓是量子力學中一個著名的思想實驗，由奧地利物理學家薛定諤在1935年提出。他想象一個裝有毒氣和放射性物質的密閉盒子里有一只貓，如果放射性物質衰變就會釋放毒氣殺死貓，如果沒有衰變就不會釋放毒氣。

根據量子力學，放射性物質在沒有觀測之前既可能衰變也可能不衰變，因此處于衰變和不衰變兩種狀態的疊加。那么，貓也就處于死和活兩種狀態的疊加，只有當我們打開盒子觀測時才能知道貓的真實狀態。這個思想實驗揭示了量子力學和經典物理學之間的巨大差異，也引發了關于量子測量、量子詮釋和量子與經典之間界限的深刻討論。

有些人認為，量子力學只適用于微觀系統，而宏觀系統遵循另一套規律。有些人認為，量子力學適用于所有系統，但是宏觀系統由于受到環境干擾而很快失去了疊加態，這個過程被稱為退相干。有些人認為，量子力學暗示了存在多個平行宇宙，每個可能狀態都對應一個不同的宇宙分支。

在過去幾十年里，科學家們已經在許多不同的量子系統中制備了類似薛定諤貓的疊加態，例如光子、電子、原子、分子等。但是，在宏觀尺度上實現這樣的疊加態仍然非常困難，因為宏觀物體通常受到很多環境因素的干擾而迅速失去量子特性。為了減少退相干的影響，科學家們通常需要將實驗系統冷卻到接近絕對零度，并且隔絕外界噪聲。即使這樣，制備出來的疊加態也往往很微弱或者很短暫。

為了探索這些問題，科學家們一直在努力制備和觀測宏觀系統的疊加態。最近，研究人員報道了在一個重約16微克（相當于10^17個原子）的機械振子上實現了“薛定諤貓態”。他們采用了一種新穎的方法，在室溫下制備出了一個具有可見大?。ㄖ睆郊s0.1毫米）和可控參數（振幅、頻率、相位等）的機械振子，并將其置于一個高真空和低噪聲的環境中。

接著他們利用了一種特殊的光學裝置，將一個激光束分成兩個相互干涉的分束，形成一個駐波場。這個駐波場可以對機械振子施加一個周期性的力，使其在兩個方向上振動。通過調節激光的強度和相位，可以控制振子的振幅和頻率，以及兩個方向上振動的相位差。當相位差為180度時，就相當于振子處于兩種相反相位的振動狀態的疊加，也就是薛定諤貓態。

為了證明這一點，研究人員采用了一種稱為“均勻分布測量”的方法，通過另一個激光束對機械振子進行連續測量，并記錄下測量結果的統計分布。如果振子處于經典的單一狀態，那么測量結果應該呈現出一個尖銳的峰值；如果振子處于量子的疊加狀態，那么測量結果應該呈現出一個平坦的分布。最終他們觀察到了后者的情況，并且隨著激光強度的增加，分布越來越平坦，表明疊加態越來越顯著。

研究者還研究了機械振子在薛定諤貓態下的退相干動力學。他們發現，在室溫下，機械振子可以保持薛定諤貓態約0.1秒左右，這是目前實現的最長時間。他們還發現，退相干速率與疊加態的大小成正比，即疊加態越大（兩種狀態之間的差異越大）退相干越快。這一結果與理論預測一致，并且表明了環境噪聲對宏觀量子現象的影響。

這項研究展示了在室溫下制備和控制宏觀物體的薛定諤貓態的可能性，并且提供了一個探索量子與經典之間界限和退相干機制的實驗平臺。這項工作也可能對連續變量量子信息處理和機械振子的精密測量有潛在的應用價值。

審核編輯 ：李倩