突破性量子力學實驗: 兩個箱子裡的薛丁格的貓同時是死的也是活的

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薛丁格的貓在做這項研究時,沒有貓受到傷害。

如果量子力學有一個吉祥物,一定就是薛丁格的貓(Schrödinger’s cat)。現在,著名的思想實驗被提升來解釋一個有史以來第一次完成的更為怪異的系統:在雙模態疊加(two-mode superposition)裡,一個在空間上分離的光子糾纏系統。

雖然它可能聽起來像是科學上的胡言亂語,這個新系統是相當突破的。它顯示研究人員能夠駕馭複雜的量子態,而且這項發表於科學期刊的發現,已經應用在計算以及遠距離通訊。

但是,貓是如何被捲進來的呢?薛丁格的貓解釋這個難以理解的量子疊加現象(quantum superposition)。在思想實驗裡,想像中的貓被鎖在一個有毒藥玻璃瓶的箱子裡,被一個二元的量子力學程序所啟動,像是一個量子開關的開或關。但直到它被觀察,這個程序是處在一個疊加的狀態,意味著它以一個所有狀態的組合存在,它是同時開著和關著。

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貓的狀態端賴量子力學。所以,它不是活的,它不是死的,它是同時活的和死的。因此,這隻"量子貓(quantum cat )"是雙模態疊加的一個狀態。

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為了造出新的狀態,耶魯大學(Yale University)的研究人員使用量子力學的另一個怪癖:糾纏(entanglement)。糾纏粒子無法單獨被描繪,即使它們是分離的、它們表現得像是一個單一系統。當一個粒子的特性被量測,這個系統瞬間倒塌。由於沒有資訊被轉換,所以不違背相對論。

研究小組在一個非常特定的波(wave)造出這個糾纏量子貓的狀態。他們使用兩個分離的波的凹處(想想高科技的微波爐),只在一個特定的波長放射出光粒子。這兩個凹處由一個超導電流(supercurrent,沒有耗損的電流)連結,允許在兩個凹處的光子變成糾纏。這隻貓現在是活的,也是死的;而且同一時間在兩個箱子裡。

在一個凹處的光子接著被迫進入一個疊加狀態,然後研究人員觀察在另一個凹處的光子。使用多達80個光子,這個糾纏貓的狀態能夠被造出來,但研究人員認為能夠做出更大的系統。

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這樣一個大系統的建造,是另一項大的成就。宏觀量子凝聚態(macroscopic quantum coherence states)展示出以每日尺度的量子特性,能夠在科技中被駕馭。雷射和超導體是高度凝聚系統的例子。

研究小組相信這類的狀態是量子程式所需要的邏輯操作結構的第一步,從而帶領我們向量子電腦更靠近一步。

來源: Iflscience