编者注（2012年10月9日）：由于本文在诺贝尔委员会宣布2012年诺贝尔物理学奖时被引用为进一步阅读材料，我们特此免费提供本文文本30天。完整文章包含图片，最初发表于1997年6月刊，可在此处购买 此处。
“我很抱歉我曾经与量子理论有任何关系，”据报道，埃尔温·薛定谔向一位同事抱怨道。这位奥地利物理学家并非在哀叹他现在著名的猫的命运，他在 1935 年将这只猫比喻性地放在一个装有毒药瓶子的盒子里。相反，他是在评论量子力学的奇怪含义，量子力学是电子、原子、光子和其他亚微观物质背后的科学。薛定谔试图用他的猫来说明这个问题：根据量子力学，粒子从一个点跳到另一个点，同时占据多个位置，并且似乎以比光速更快的速度进行通信。那么为什么猫——或者棒球、行星或人，就不是这样呢？毕竟，它们是由原子组成的。相反，它们遵守艾萨克·牛顿量化的可预测的经典定律。量子世界何时让位于日常生活的物理学？ “这是一个价值 64,000 美元的问题，”麻省理工学院的大卫·普里查德笑着说。
普里查德和其他实验学家已经开始窥视量子领域和经典领域之间的边界。通过用激光束冷却粒子或通过特殊腔体移动粒子，物理学家在过去一年中创造了小规模的薛定谔猫。这些“猫”是被制成同时位于两个位置的单个电子和原子，以及被激发以两种不同方式同时振动的电磁场。它们不仅戏剧性地展示了奇异如何轻易地让位于熟悉，而且还戏剧性地说明了量子计算的障碍——量子计算是一种技术，仍然在很大程度上是推测性的，一些研究人员希望它可以解决现在极其困难的问题。
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量子-经典转变的奥秘源于量子粒子的一个关键特性——它们可以像波一样波动和传播（反之亦然：光可以像称为光子的粒子一样反弹）。因此，它们可以用波函数来描述，薛定谔在 1926 年提出了波函数。波函数有点像量子社会安全号码，包含了关于粒子的所有信息，总结了其所有可能位置和运动的范围。
从字面上看，波函数表明粒子同时存在于所有这些可能性中。然而，总是，一次观察只会揭示其中一种状态。在测量之后，特定结果如何甚至为什么会出现是薛定谔思想实验的重点：除了猫和毒药之外，一个放射性原子也被放入盒子中。在一个小时内，原子有相等的衰变机会；衰变会触发锤子，锤子会砸开装有抗猫血清的小瓶。
测量问题
根据量子力学，未被观察到的放射性原子仍然处于一种有趣的衰变和未衰变的状态。这种状态称为叠加态，量子物体很容易进入这种状态。电子可以同时占据多个能级或轨道；单个光子在通过分束器后，似乎同时穿过两条路径。处于明确叠加态的粒子被称为相干的。
但是，当量子物体与宏观物体（如猫）耦合时会发生什么？扩展量子逻辑，猫也应该保持在状态的相干叠加态中，并且同时处于死亡和活着的状态。显然，这是荒谬的：我们的感官告诉我们，猫要么是死的，要么是活的，而不是两者都是或都不是。用平实的语言来说，猫实际上是一种测量装置，就像盖革计数器或电压表一样。那么，问题是，测量装置不应该进入与它们旨在探测的量子粒子相同的模糊状态吗？
对于量子理论的创始人之一丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（薛定谔向他表达了遗憾的评论），答案是测量必须使用经典装置进行。在后来被称为量子力学的标准解释或哥本哈根解释中，玻尔假定宏观探测器永远不会达到任何模糊的叠加态，但他没有确切解释为什么不会。“他想用‘经典’来手动强制执行，”洛斯阿拉莫斯国家实验室的沃伊切赫·祖雷克说。“测量就只是发生了。”玻尔还认识到，经典与量子之间的界限可以根据实验的安排而转移。此外，尺寸不一定重要：叠加态可以持续存在于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学院同事结晶了测量的模糊性。该团队将一束狭窄的钠原子流通过干涉仪，这是一种使粒子有两条路径可走的装置。路径重新组合，每个原子都像波一样“干涉”自身，在观察屏幕上产生明暗条纹图案（与激光照射通过两条狭缝时看到的相同）。量子力学的标准公式指出，原子同时走了两条路径，因此原子从源到屏幕的整个运动是原子通过两条路径运动的叠加态。
然后，该团队将激光对准其中一条路径。这个过程破坏了干涉条纹，因为激光光子从原子上散射会表明原子走了哪条路径。（量子规则禁止“哪条路径”信息和干涉共存。）
从表面上看，这种散射似乎构成了破坏相干性的测量。然而，该团队表明，通过将路径之间的分隔更改为激光光子波长的四分之一倍数，相干性可以“恢复”——也就是说，干涉图案可以恢复。在这些分数处，无法分辨光子是从哪条路径散射的。“相干性并没有真正丢失，”普里查德阐明道。“原子与一个更大的系统纠缠在一起。”也就是说，原子的量子态与测量装置耦合在一起，在本例中测量装置是光子。
与之前的许多实验一样，普里查德的工作是已故的理查德·费曼多年前提出的建议的实现，它深化了量子物理学的奥秘，而不是解决它们。它表明测量装置可以具有不明确的定义。那么，在薛定谔的猫的情况下，测量是打开盖子吗？还是当光线到达眼睛并被大脑处理时？还是猫毛上的静电放电？
最近一系列薛定谔的猫实验已经开始解决这些问题。并非所有物理学家都同意他们正在研究真正的量子猫——“小猫”是经常使用的术语，具体取决于所需的可爱程度。无论如何，这些尝试确实表明，量子-经典转变——有时称为波函数的坍缩或态矢量约化——终于开始走出思想实验的领域，进入现实世界的研究。
来，小猫，小猫
1991 年，罗切斯特大学的卡洛斯·斯特劳德和约翰·耶泽尔正在研究所谓的里德堡原子，以瑞典光谱学家约翰内斯·里德堡的名字命名，他是电子与原子核之间结合能关系的发现者。通常，电子在距离原子核小于一纳米的距离处绕原子核运行；在里德堡原子中，最外层电子的轨道膨胀了几千倍。这种膨胀可以通过短暂的激光脉冲来实现，激光脉冲有效地将电子同时置于许多外层轨道中。在物理上，能级的叠加表现为“波包”，它在原子尺度上的巨大距离（约半微米）处绕原子核旋转。波包代表激发电子位置的概率。
在使钾原子膨胀时，罗切斯特的研究人员注意到，经过几次轨道运行后，波包会分散，然后又以两个较小的波包的形式在它的大轨道的两端复活。斯特劳德和他的同事迈克尔·W·诺埃尔去年 9 月表明，这两个波包构成了一个薛定谔的猫态——一个电子位于两个位置。
然而，电子本质上只是一个点。更接近宏观领域的是离子（带电原子），它由许多基本粒子组成。1996 年 5 月，科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所 (NIST) 的克里斯·门罗、戴维·J·温兰德及其同事用铍离子创造了一只薛定谔的猫。他们首先用电磁场捕获离子，然后用激光束照射离子，抑制离子的热抖动，从而将其冷却到接近绝对零度。然后，研究人员用两束频率略有不同的激光束照射离子，以操纵其自旋，自旋是固有的量子特征，指向向上或向下。通过激光，研究人员使离子呈现自旋向上和自旋向下状态的叠加态。
准备工作就这么多；接下来是更宏观的部分。通过操纵两束激光器的调谐，NIST 团队可以将自旋向上状态在空间中来回摆动，并将自旋向下状态来回摆动。快照会显示处于自旋向上状态的离子在一个物理位置，同时处于自旋向下状态的离子在第二个位置。这些状态相隔 80 纳米——在原子尺度上很大。“我们使一个离子占据了两个位置，这两个位置与原始离子的大小相比非常遥远，”门罗说。
去年 12 月，巴黎高等师范学院 (ENS) 的米歇尔·布鲁内、塞尔日·阿罗什、让-米歇尔·雷蒙德及其同事将事情向前推进了一步。“我们能够监测量子特征的消失，”阿罗什解释道。为了观察叠加态如何坍缩为一个或另一个状态，他们实际上在薛定谔的猫面前悬挂了一只量子老鼠，以检查它是死是活。
这只猫是一个被捕获的电磁场（腔体中的一堆微波光子）。研究人员将一个被激发到两种不同能态叠加态的里德堡原子送入腔体。里德堡原子将其叠加态转移到驻留的电磁场，使其处于两种不同相位或振动状态的叠加态。凭借其两个相位，该场因此类似于薛定谔的猫在生死之间的奇怪叠加态。
对于老鼠，ENS 团队将另一个里德堡原子发射到腔体中。然后，电磁场将关于其叠加相位的信息传递给原子。物理学家将第二个原子与第一个原子进行比较，以收集关于电磁场的叠加信息。
然而，更有趣的是该团队控制关键变量并确定相干态如何变成经典态的能力。通过改变发送到腔体中的两个原子之间的时间间隔（从 30 微秒到 250 微秒），他们可以看到叠加态的坍缩如何随时间变化，并且通过扩大电磁场（通过在腔体中放置更多光子），他们可以看到坍缩如何随尺寸变化。“这是我们第一次能够观察到量子行为到经典行为的渐进演变，”阿罗什说。
“这是一个令人叹为观止的实验，”祖雷克热情地说。“看到薛定谔的猫总是令人惊讶，但能够看到猫被迫在‘死’和‘活’之间做出选择，首次观察到量子怪异性的消失，才是真正的妙招。”此外，ENS 的结果与大多数理论家的技术预期相符。“它告诉我的是，”祖雷克评论道，“我们一直在写下的简单方程似乎是一个很好的近似值。”
失去相干性
祖雷克是退相干理论的主要倡导者，该理论基于环境破坏量子相干性的观点。他在 20 世纪 80 年代提出了该理论（尽管其中一部分可以追溯到玻尔和其他量子创始人），并且与不同的合作者一起一直在研究其后果。
不稳定的环境本质上是指任何可能受到量子系统状态影响——并因此无意中“测量”量子系统状态的事物：单个光子、分子的振动、空气粒子。环境不仅仅是该理论中的“噪声”；它充当不断监测系统的装置。
ENS 实验清楚地表明了这种影响。“系统退相干是因为系统泄漏信息，”祖雷克指出。一些光子可能会逸出腔体，因此将剩余光子的状态泄露给宇宙的其他部分。“所以在某种意义上，薛定谔的猫正在生出小猫，”祖雷克说。
让环境定义量子-经典边界具有消除某些作者宣扬的量子理论的神秘方面的优势。它消除了对意识或新的物理力来影响经典结果的任何特殊需求。它还解释了为什么尺寸本身不是退相干的原因：像现实生活中的猫这样的大型系统永远不会进入叠加态，因为构成猫的所有粒子都会影响大量的环境参数，从而使相干性变得不可能。给定一个钟摆上的一克摆锤和一些合理的假设，系统中波函数中的干涉项在纳秒内降至其原始值的约 2.7–1,000——量子怪异性的几乎瞬时消失。“追溯到玻尔的旧直觉是正确的，”祖雷克总结道，“尽管现在有一种物理机制来证实他的要求。”
尽管如此，祖雷克的退相干模型在某些人眼中仍然存在缺陷。“在我看来，退相干并没有选择特定的结果，”伊利诺伊大学的安东尼·J·莱格特认为。“在现实生活中，你会得到明确的宏观结果。”
祖雷克认为，环境确实决定了最终出现在现实世界中的量子可能性。他称之为环境诱导的超选择或简选择的过程，抛弃了不切实际的量子态，只保留那些可以经受环境审查并因此可能变成经典态的状态。“选择是由环境完成的，因此您将无法预测允许的可能性中的哪一个将变为现实，”祖雷克观察到。
这种解释令人感觉不太满意。祖雷克的方法“非常吸引人。它允许你计算事物，看到随着叠加态变大，干涉条纹如何消失，”NIST 的门罗说。“但它仍然有一些奇怪的地方。他正在把东西扫到地毯下，但很难说是什么地毯。”问题在于，退相干——以及实际上任何关于量子经典转变的理论——必然是临时的。量子叠加态必须以某种方式产生符合我们日常现实感的结果。这导致了循环逻辑：在宏观世界中看到的结果源于量子世界，因为这些结果是我们看到的结果。一些著名的宇宙学家提倡的一种解决方案是笨拙的“多世界”解释，该解释认为波函数规定的所有可能性实际上都会发生。它们继续存在于平行宇宙中。然而，这个想法是无法检验的，因为平行宇宙彼此之间永远无法访问。
激进的重新设计
莱格特认为，退相干和多世界思想的问题导致相当一部分人支持称为 GRW 理论的观点。这个概念是由的里雅斯特大学的吉安卡洛·吉拉尔迪和图利奥·韦伯以及帕维亚大学的阿尔贝托·里米尼于 1986 年提出的。
在 GRW 方案中，粒子的波函数会随着时间的推移而扩散。但是，波扩散“击中”背景中神秘的“某物”的可能性很小。波函数突然变得局部化。单个粒子只有很小的机会被击中，大约每 1 亿年一次。但对于宏观的猫来说，其大约 1027 个粒子中至少有一个被击中的机会很高，至少每 100 皮秒一次。猫永远没有机会进入任何类型的叠加态。因此，不需要退相干：猫的宏观状态是由自发微观坍缩产生的。
一些问题困扰着这个模型。其中之一是触发击中的时间因素完全是任意的；支持者只是选择一个产生合理结果的因素。然而，更重要的是触发器的来源。“基本上，[存在] 一种无法用量子力学本身描述的通用背景噪声，”莱格特解释道。噪声不仅仅是环境中的随机过程；它具有独特的数学风味。牛津大学的罗杰·彭罗斯在他的著作《心灵的阴影》中认为，触发器可能是引力，这将巧妙地避开某些技术异议。
其他更激进的提议比比皆是。最著名的提议是由已故的大卫·玻姆提出的，他假定“隐变量”是量子力学的基础。这些变量——以某种方式将波函数描述为真实力的属性——将消除叠加态的概念并恢复确定性现实。与多世界思想一样，玻姆的理论无法验证：隐变量顾名思义，仍然是隐藏的。
鉴于这些选择，许多在职物理学家都在订阅退相干理论，即使它可以说未能完全解决测量问题，但它也做出了最少的信仰飞跃。“退相干确实回答了问题的物理方面，”祖雷克说，但没有回答形而上学方面的问题，例如有意识的头脑如何感知结果。“至少在我们对大脑和思维如何相关有更好的理解之前，不清楚你是否有权期望所有问题的答案，”他沉思道。
更大的叠加态可能使研究人员能够开始排除一些理论——例如，GRW 和退相干对它们的预测规模不同。“我们想做的是转向更复杂的系统，并纠缠比以前捕获的仅仅 10 个粒子更多的粒子，”ENS 的阿罗什说。NIST 未来的实验特别适合作为“退相干监测器”，门罗认为。“我们可以模拟噪声以故意导致叠加态衰减。”莱格特提出使用由超导环制成的传感器（称为 SQUID）：应该可以建立在环周围沿相反方向流动的大电流。
尽管如此，还有很长的路要走。“即使在最壮观的实验中，最多你也只展示了大约 5,000 个粒子的叠加态。这离宏观世界的 1023 特征还差得很远，”莱格特说，但他仍然表示支持。“我自己的态度是，应该尝试做实验，看看量子力学是否仍然有效。”
收缩晶体管，现在具有小于一微米的特征，也可能带来关于量子-经典转变的见解。在几年内，它们可能会达到几十纳米的尺寸，这个领域有时被称为介观尺度。德雷塞尔大学的冯大绚推测，量子力学可能实际上并没有导致经典力学；相反，两种描述都源于它们之间物理领域中尚未发现的概念。
量子计算
即使实验还不能完全解决测量问题，它们也为一个非常热门的领域做出了巨大贡献：量子计算。经典计算机由在 0 或 1 之间切换的晶体管构建。然而，在量子计算机中，“晶体管”保持在 0和 1 的叠加态（称为量子比特或 qubit）；计算通过叠加态之间的相互作用进行，直到执行测量。然后叠加态坍缩，机器交付最终结果。理论上，由于它可以同时处理许多可能的答案，量子计算机可以在几秒钟内完成任务，例如分解大数以破解代码，而经典机器则需要数年才能完成。
1995 年 12 月，研究人员成功创建了量子双比特系统。门罗和他的同事用铍离子制造了一个称为受控非门逻辑元件。离子被捕获并冷却到其最低振动状态。这种状态和第一个激发振动状态构成一个比特。第二个比特是离子电子之一的自旋。激光脉冲可以迫使比特进入叠加态，并根据第一个比特的状态翻转第二个比特。门的其他变体通过腔体中的原子耦合两个光子，或通过探测器网络传输一对纠缠的光子。
然而，构建一台有用的量子计算机（依赖于数千个离子的叠加态来执行数十亿次操作）仍然令人怀疑。问题是什么？叠加态的损失。逻辑门必须足够快才能在量子比特失去相干性之前工作。使用来自 NIST 门实验的数据，阿罗什和雷蒙德在 1996 年 8 月的今日物理文章中计算出，给定 0.1 毫秒的门速度，比特必须在叠加态中保持至少一年才能完成有意义的计算（在本例中，是分解一个 200 位数字）。
其他物理学家不太悲观，因为纠错码（在经典计算中是必不可少的）可能是解决方案。“它会给你关于如何修复损坏的指令，”纽约州约克镇高地 IBM 托马斯·J·沃森研究中心的戴维·迪文森佐说。
此外，迪文森佐指出，一种新的量子计算方法，即利用核磁共振 (NMR) 技术，可以将相干时间提高到一秒或更长时间。假设将液体（一杯咖啡）置于磁场中；由于热振动和其他力的作用，咖啡因分子中只有百万分之一的原子核会与磁场对齐。可以使用无线电波操纵这些突出的原子核，以使其自旋处于向上和向下的叠加态。与其他技术相比，这里更容易保持相干性，因为经历叠加态的核自旋受到周围沸腾分子的动荡的良好保护，这种疯狂的争夺平均下来为零。进行计算的咖啡因有效地坐在飓风平静的中心。最近，两个小组通过 NMR 演示了量子计算，使用四量子比特版本来计算 1 加 1。更复杂的系统，可能使用 10 个量子比特，可能会在今年年底实现。
缺点是读出。由于无法检测单个自旋，研究人员必须测量所有分子的自旋——包括量子比特和非量子比特。因此，能够维持许多自旋的复杂分子比简单的分子“噪声”更大。“他们将能够做一些不错的事情，”门罗说，“但超过大约 10 个比特，他们将遇到基本问题。”来自 10 个比特的输出仅为单个比特输出的 0.001 倍；对于 20 个比特，输出下降了百万分之一。因此，NMR 技术可能无法进入至少 50 个比特的有意义的计算领域。
然而，量子叠加态可能还有其他用途。斯特劳德提出在原子上存储数据，因为里德堡原子中的电子可以被制成占据 2,500 个不同能级的叠加态。“这意味着电子的波函数可能非常复杂，可以编码大量信息，”斯特劳德阐述道。他通过在原子上写入“OPTICS”在理论上证明了这种可能性。量子叠加态的其他用途，例如在密码学、化学甚至隐形传输中，也已被证明。薛定谔的盒装猫可能已经胜过了迄今为止最好的哲学家，但它似乎已经找到了足够的理由留在原处。
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量子猫的用途
研究人员已经提出并演示了几种利用纠缠和叠加量子态的技术，例如量子计算。其他一些方案包括以下内容
量子化学
使用激光，研究人员可以将分子置于反应路径的叠加态中；然后他们可以通过调整干涉程度来控制化学过程。去年 12 月，研究人员使用类似的技术分离了同位素。障碍包括效率水平不够实用以及难以控制激光的相位特性。
量子密钥密码学
量子密钥密码学比量子计算的前景好得多。合法的通信者使用光子的极化创建共享密钥。窃听这些密钥会立即被注意到，因为它会破坏密钥光子的状态。量子密码学已被证明可以在光纤中运行几公里。
量子隐形传输
这个想法与星际迷航无关，而与重建被破坏的信息有关。关键是爱因斯坦-波多尔斯基-罗森效应，该效应表明两个光子可以保持纠缠，无论它们相距多远，直到进行测量（这会瞬间将两者都置于确定的状态）。爱丽丝取一个 EPR 光子，鲍勃取另一个。稍后，爱丽丝相对于第三个光子测量她的 EPR 光子。鲍勃可以使用关系测量来重新创建爱丽丝的非 EPR 光子。鲍勃是否真的使光子重新物质化，或者只是创建了一个无法区分的克隆尚不清楚。据报道，因斯布鲁克大学的研究人员已经证明了这种现象，这种现象可能在量子密码学中有所用途。
量子激光光学
激光器通常需要粒子数反转，这种情况是指处于激发态的原子数量超过处于基态的原子数量；激发态原子在下降到基态时会发射激光光子。1995 年，研究人员避开了这个要求。在无反转激光中，两个耦合激光器为基态原子提供了两条通往一个更高能级的路径。路径之间的干涉使基态原子不可见，因此需要更少的激发态原子。这种激光器不需要那么多功率，并且原则上可以在理想的 X 射线区域发射光。