重达 16 微克的蓝宝石晶体是迄今为止存在于两种振动状态的量子力学叠加态中的最大物体。苏黎世联邦理工学院 (ETH Zurich) 混合量子系统组的研究人员激发了晶体的振动，使其原子同时沿两个相反方向来回振荡——从而使整个晶体处于所谓的量子叠加态。
正如该研究小组在科学杂志上报道的那样，这种情况很像物理学家埃尔温·薛定谔著名的思想实验中的猫。在薛定谔的量子力学场景中，一只猫同时处于活和死的状态，这取决于原子的衰变，原子衰变会释放一瓶毒药。新实验中的蓝宝石晶体已被置于宏观等效的“猫态”中。这种状态可以帮助科学家理解量子世界的规律如何以及为何过渡到较大物体的经典物理学规则。
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为了让由约 1017 个原子组成的蓝宝石像量子力学物体一样表现，研究小组使其振荡并将其耦合到超导电路。（用最初的思想实验的术语来说，蓝宝石是猫，而超导电路是衰变的原子。）该电路被用作量子位，或同时处于“0”和“1”状态的量子信息位。然后，电路的叠加态被转移到晶体的振荡。因此，晶体中的原子可以同时沿两个方向移动——例如，向上和向下——正如薛定谔的猫同时处于死亡和活着的状态一样。
重要的是，这两个状态（活和死或上和下）之间的距离必须大于量子不确定性原理所描述的距离，苏黎世联邦理工学院的科学家们证实了这一点。研究人员使用超导量子位，成功地确定了晶体两种振动状态之间的距离。大约为 20 亿分之一纳米，它非常小——但仍然足够大，可以毫无疑问地区分这两种状态。
耶路撒冷希伯来大学研究量子力学电路的物理学家什洛米·科特勒说，这些发现“突破了实际实验室实验中可以被认为是量子力学的界限”。科特勒没有参与这项研究。
对于量子力学物体——存在于原子和亚原子粒子尺度——这种经典不相容状态的叠加很常见。另一方面，由非常多原子组成的宏观物体通常遵循经典力学：它们不能同时呈现两种矛盾的状态。正如猫不能同时处于活和死的状态一样，晶体也不能同时上下振动。然而，这里最大的谜题是为什么通常不能这样。毕竟，无论物体有多大，它都是由遵守量子物理学规则的原子和亚原子粒子组成的。
科特勒指出，寻找更大的猫态是“扩展”观察到的量子力学物体“极限”的一种方式——在本例中，通过证明像 16 微克这样大的东西可以存在于这种状态下。（不过，需要明确的是，16 微克仍然是微观的。）
对于为什么较大的物体不遵循量子力学，有几种可能的解释。例如，随着原子数量的增加，可能会有越来越多的影响导致量子力学状态衰变。另一种可能性是引力发挥作用。希望更大的猫态可以帮助最终解决薛定谔的猫之谜。
事实上，苏黎世联邦理工学院的马泰奥·法德尔与马里乌斯·比尔德和于·杨共同领导了这项研究，他希望在团队在蓝宝石和超导体方面的成功基础上，测试其中的一些可能性。“我对探索我们设备在研究基础物理学方面的潜力很感兴趣，包括低能量量子引力现象学，”法德尔说。
稳定的、可控的宏观量子态——例如本研究中创建的那些——也具有技术意义。例如，它们可以用于日益复杂的量子计算机中的纠错方法。科特勒解释说，量子计算可以依赖于将用于处理的电子元件和用于存储的机械物体连接起来的设备——就像本文的作者将超导量子比特耦合到蓝宝石晶体一样。
本文最初发表于《明镜在线》杂志，经许可转载。
编者注（2023 年 5 月 16 日）：本文在发布后进行了更新，以澄清马泰奥·法德尔共同领导了这项研究，并添加了有关研究小组的更多信息。