打破纪录！中国科学家让薛定谔的猫活了23分钟
研发家
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2024-11-25
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量子物理领域，一新纪录被中国科学家打破——中科大团队成功让薛定谔的猫活了长达整整23分钟！什么概念呢？
以往人们以薛定谔的猫「到底是生是死」来阐释原子的量子叠加状态。因为环境非常不稳定，所以这种状态往往存续十分短暂——几秒或者几毫秒。
但现在这样的存续时间有了质的飞跃，中国团队成功让这种量子叠加状态持续了1400秒的时间。
这项研究由中科大少年班学院院长卢征天教授、合肥国家实验室研究员夏添领衔，其成果发表在《自然·光子学》。
一旦证明这一长寿命薛定谔猫态的制备可行，那么将来对于量子物理世界的研究有重要意义。比如用来检测和研究磁力、探索物理学中新的和奇异的效应，甚至可以用于非常稳定的量子计算机内存。
“薛定谔的猫”是一个著名的思想实验，由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔在1935年提出。
想象一个封闭的盒子里有一个猫，一个装有毒气的瓶子，以及一个放射性原子。如果放射性原子衰变，就会触发一个机制打碎瓶子，释放毒气，猫就会死。如果原子没有衰变，猫就活着。
在量子力学中，放射性原子在没有观测之前，同时处于衰变和未衰变的叠加状态。这意味着，在没有打开盒子观察之前，猫既是死的也是活的，处于一种生死叠加的状态。
当我们打开盒子观察猫的状态时，量子叠加状态会“坍缩”，猫的状态从既是死又是活的状态变为确定的死是活。这个过程也被称为波函数坍缩。
这种一个系统同时处于两种或多种截然相反状态的量子叠加，就是薛定谔猫态。
在实验中实现和维持薛定谔猫态非常困难，因为这需要极高的隔离以防止温度、磁场等环境干扰导致它们在几秒或毫秒内坍缩到单一状态。
本文研究科学家们历史性地让薛定谔猫态保持了长时间的稳定，相干时间长达23分钟。（相干时间是指量子系统在退相干之前能够保持量子特性的时间，退相干指的是量子系统逐渐失去其量子特性的过程。）
在这个实验中，薛定谔猫态是通过非线性自旋旋转实现的，即原子的自旋同时指向两个完全相反的方向。
具体来说，研究团队利用波长为1036nm、功率为16W的线性偏振光晶格激光束（束腰为20μm），在魔术波长上捕获了大约10⁴个¹⁷³Yb原子。原子首先在邻近腔室的磁光阱中被预冷并加载，随后通过移动光学偶极阱沿x轴方向输送到测量室。
实验装置被四层磁屏蔽所保护，内置cos(θ)线圈在z方向上产生一个稳定均匀的1.24μT磁场，以最小化外部磁场干扰。
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使用与¹S₀(F=5/2)→¹P₁(F′=5/2)能级跃迁共振的σ+偏振泵浦激光脉冲，将原子初始化到|F, F⟩拉伸态。
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应用离共振的σ⁺偏振控制激光束，沿x轴方向传播，通过调节非线性交互作用（张量交流斯塔克位移）诱导自旋旋转。
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使用与¹S₀(F=5/2)→³P₁(F′=7/2)能级跃迁共振的σ⁺偏振探测光束测量|F, F⟩态中的归一化布居数，利用光学晶格引入的差分张量光移位进行状态选择性测量。
通过精确控制控制激光的频率和强度（80 mW/cm²），实验中测得的拉比频率为：
这一系列精确操作成功制备出了¹⁷³Yb原子的薛定谔猫态，该状态是具有自旋量子数5/2的原子核自旋投影态m=+5/2和m=−5/2的量子叠加。
关键是，团队发现这个猫态被保护在无退相干子空间中，对光晶格产生的非均匀张量光移具有免疫力。这是因为光晶格的哈密顿量Hₜ与猫态密度矩阵ρcat和Hₒ都对易，从而避免了光场带来的退相干。
这使得猫态实现了1.4(1)×10³秒的超长相干时间，即约23分钟，远超常规相干自旋态（CSS）在相同条件下实现的0.9(2)×10³秒相干时间。
值得注意的是，目前实验中的真空阱寿命为71(1)秒，研究人员指出通过改善真空条件，猫态的寿命有望进一步延长以匹配其相干时间，同时还可以借助自旋回波技术来进一步减少退相干效应。
为表征猫态对1.24-μT静态磁场的灵敏度，研究人员进行了拉姆齐干涉测量。
通过两个间隔为τ的(π/2)cat脉冲序列，在160秒的测量时间内，态的布居数保持在0.90(3)，干涉条纹对比度达到0.88(3)。
最终实现了0.12(1)nT的磁场测量灵敏度，比标准量子极限0.22nT提高了约1.8倍，接近海森堡极限（HL）的0.10nT。
作为对比，同样条件下的相干自旋态只能达到0.70(10)nT的灵敏度，比标准量子极限0.22nT的灵敏度差了约3.2倍。
具有长相干时间的高自旋系统在量子科技领域具有广泛应用前景，可用于发展量子存储器，并为量子计算中的错误纠正提供必要的冗余度。
特别值得一提的是，这项工作为寻找自旋传感器提供了新的可能性。传统上，具有基态J=0和核自旋I=1/2的原子（如³He、¹²⁹Xe、¹⁷¹Yb和¹⁹⁹Hg）被认为是理想的自旋传感器候选者。
而这项研究表明高自旋同位素同样可以胜任这一角色。例如，¹⁷¹Yb/¹⁷³Yb这样的同位素对为开发双物种冷原子共磁力计提供了新的可能性。
更重要的是，这个展现出接近海森堡极限磁场测量灵敏度的猫态，不仅可用于高精度磁场测量，还可应用于寻找永久电偶极矩、检验洛伦兹不变性，以及探索超出标准模型的新物理现象，为量子精密测量领域开辟了新的研究方向。
此次研究来自中科大夏添、卢征天、邹长铃等人一起合作。
通讯作者之一卢征天，目前是中国科学技术大学物理学院杰出讲席教授、少年班学院院长。
研究方向包括检验时空及物质与反物质之间的对称性，寻找标准模型之外的新物理；发展超灵敏同位素痕量探测新技术，同时开展在地球与环境科学中的应用；对于原子核、原子与分子的精密测量。
另一位通讯作者夏添，目前是合肥国家实验室研究员。他本科毕业于清华大学，随后前往普林斯顿大学攻读博士。
研究方向包括通过对原子固有电偶极矩的测量来检测基本作用中对称性的破缺来寻找标准模型之外的新物理；以原子物理为平台的精密测量；以中性原子为平台的量子信息；用光抽运的方法实现原子自旋的磁极化。
对于这项成果，研究人员表示，这一长寿命薛定谔猫态的制备，将为原子磁力计、量子信息纠错以及探索新物理等开辟出新途径。
参考链接：
[1]https://www.wired.com/story/scientists-have-pushed-the-schrodingers-cat-paradox-to-new-limits
[2]https://news.ustc.edu.cn/info/1056/89559.htm
[3]https://arxiv.org/abs/2410.09331v1
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