薛定諤貓示意圖

■本報(bào)記者 趙廣立

英國(guó)大戲劇家威廉·莎士比亞在悲劇作品《哈姆雷特》中寫(xiě)道：“生存還是死亡，這是一個(gè)問(wèn)題?！边@句話用在“薛定諤貓”身上再恰當(dāng)不過(guò)：箱中之貓是死是活，只有打開(kāi)才能決定（知道）,。

論起科學(xué)界最著名的貓,，“薛定諤貓”當(dāng)之無(wú)愧。

作為現(xiàn)代物理學(xué)的支柱理論,，量子力學(xué)精確地描述了微觀世界的粒子行為,。以量子理論為基礎(chǔ)，人類(lèi)至今已發(fā)展出半導(dǎo)體,、激光,、核磁共振、電子顯微鏡,、量子信息等一系列重大技術(shù),，量子力學(xué)的應(yīng)用極大促進(jìn)了人類(lèi)物質(zhì)文明的進(jìn)步。然而,，關(guān)于量子力學(xué)的理解與表述卻眾說(shuō)紛紜,，至今爭(zhēng)議不斷?！把Χㄖ@佯謬”（即“薛定諤的貓”）就是最廣為人知的一個(gè),。

微觀“疊加態(tài)”的特點(diǎn)與宏觀世界規(guī)律如此不同，物理學(xué)家如薛定諤也想不通,。他在1935年發(fā)表了一篇題為《量子力學(xué)的現(xiàn)狀》的論文,，在論文中薛定諤編出了一個(gè)“薛定諤貓”的理想實(shí)驗(yàn),，試圖將微觀不確定性變?yōu)楹暧^不確定性，微觀的迷惑變?yōu)楹暧^的佯謬,，以引起大家的注意,。果不其然，物理學(xué)家們對(duì)此佯謬一直眾說(shuō)紛紜,、爭(zhēng)論至今,。

事實(shí)上,，1935年誕生了兩個(gè)著名的佯謬,。除薛定諤提出“薛定諤貓佯謬”外，愛(ài)因斯坦,、波多爾斯基和羅森還提出了“EPR佯謬”（EPR分別為三人名字首字母）,，質(zhì)疑量子力學(xué)的不完備性。不過(guò),，這兩大佯謬的關(guān)注點(diǎn)各有異同,。

“EPR佯謬關(guān)注局域?qū)嵲谡撆c量子力學(xué)的矛盾，它可由約翰·貝爾（Bell）于1964年提出的關(guān)于復(fù)合物理系統(tǒng)的‘Bell不等式’進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),；薛定諤貓佯謬則關(guān)注宏觀實(shí)在論和量子力學(xué)的矛盾,，矛頭直指量子力學(xué)的邊界問(wèn)題?！敝袊?guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員李傳鋒告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者,。

他解釋說(shuō),，根據(jù)量子力學(xué),，微觀粒子可處于疊加態(tài)上,，這與我們?nèi)粘,？吹降暮暧^物體永遠(yuǎn)處于確定狀態(tài)（即宏觀實(shí)在論）的經(jīng)驗(yàn)相矛盾,。宏觀實(shí)在論否定“宏觀量子疊加態(tài)”,，認(rèn)為貓要么死,、要么活，不存在半死不活,、既死又活的貓。

有人會(huì)說(shuō)：“箱中之貓是死是活,，看一眼就清楚了,；電子在某種狀態(tài)或是不在，測(cè)量一下不就知道了嗎,？”

并非如此,，事實(shí)上，這一矛盾也與量子測(cè)量問(wèn)題直接相關(guān),。當(dāng)人們對(duì)電子的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量時(shí),，電子的“疊加態(tài)”就不復(fù)存在了，而是“坍縮”到“在某種狀態(tài)”或是“不在該狀態(tài)”兩個(gè)狀態(tài)的其中之一,。也就是說(shuō),，微觀與宏觀的不同在于觀測(cè)之前——箱中之貓是死是活，在觀測(cè)之前已成事實(shí),，并不以看或不看而轉(zhuǎn)移,；而微觀電子坍縮前的狀態(tài)，并無(wú)定論,，直到測(cè)量它,，才因坍縮而確定。

這是微觀世界中量子疊加態(tài)的奇妙特點(diǎn),。日常經(jīng)驗(yàn)也告訴我們,，像貓或者人這樣的大型物體并不會(huì)像電子一樣表現(xiàn)出量子疊加態(tài)。這是否意味著,，量子物理學(xué)對(duì)大于某一個(gè)特定尺寸的物體基本不適用呢,？如果是，微觀與宏觀之間的界限在哪里,？

“羅杰·彭羅斯提出的引力坍縮理論認(rèn)為正是引力導(dǎo)致量子世界必定有邊界,，從根本上否定了宏觀量子疊加態(tài)的存在?！崩顐鞣褰榻B說(shuō),，1985年，Leggett與Garg提出了Leggett-Garg（LG）不等式,，希望能通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)薛定諤貓佯謬,。

“對(duì)LG不等式的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)可用于尋找量子與經(jīng)典的界限，從而劃定量子力學(xué)的適用范圍,?！崩顐鞣甯嬖V記者,，“通俗的說(shuō)就是回答‘薛定諤貓到底能有多大’的問(wèn)題?！?/p>

李傳峰研究組就踏上了尋找量子與經(jīng)典之間界限之旅,。然而，目前Bell不等式已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),，但關(guān)于LG不等式的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)卻舉步維艱,。

“原因出在LG不等式的假設(shè)上?！崩顐鞣鍖?duì)記者說(shuō),，“原始的LG不等式基于兩條假設(shè)，一條是宏觀實(shí)在性描述,，即系統(tǒng)總是處于宏觀可區(qū)分狀態(tài)中的一個(gè),；另一條是非破壞測(cè)量假設(shè)，即能夠以不破壞系統(tǒng)狀態(tài)及其后續(xù)演化的方式完成測(cè)量,。其中非破壞測(cè)量假設(shè)飽受爭(zhēng)議,，它雖然符合人們?nèi)粘Ｉ畹慕?jīng)驗(yàn)，但其正確性卻無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),?！?/p>

由此帶來(lái)的后果是即便實(shí)驗(yàn)違背了LG不等式，人們依然沒(méi)法判定是宏觀實(shí)在性假設(shè)還是非破壞測(cè)量假設(shè)出了問(wèn)題,。2010年至今幾個(gè)檢驗(yàn)LG不等式的實(shí)驗(yàn)都存在這一明顯不足,。

該實(shí)驗(yàn)室博士生周宗權(quán)向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者介紹說(shuō)，自2010年至今,，國(guó)際上已有幾個(gè)研究組在單個(gè)光子,、單自旋、單原子以及微米尺度的超導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行了多個(gè)LG不等式的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),，主要測(cè)量手段包括弱測(cè)量和負(fù)性測(cè)量,。然而無(wú)論弱測(cè)量和負(fù)性測(cè)量，都存在著“無(wú)法知曉測(cè)量破壞性”的漏洞,。

弱測(cè)量是基于量子力學(xué)的一種概念,，它本質(zhì)上只是降低了測(cè)量的“量子破壞性”，其破壞性與強(qiáng)測(cè)量并沒(méi)有區(qū)別,，對(duì)實(shí)在論者并無(wú)意義,。負(fù)性測(cè)量是指測(cè)量裝置只觀測(cè)兩種結(jié)果中的一種，如果觀測(cè)到就丟棄結(jié)果,，未觀測(cè)到則推測(cè)系統(tǒng)處于另一個(gè)狀態(tài)且認(rèn)為系統(tǒng)演化未受影響,。這種看法符合人們生活的經(jīng)驗(yàn)，但它在不同理論框架下的正確性卻備受懷疑,，一個(gè)典型反例是波動(dòng)力學(xué)框架下的單縫衍射,。

“測(cè)量是測(cè)量者獲取被測(cè)系統(tǒng)信息的唯一手段,，作為測(cè)量者也就幾乎永遠(yuǎn)無(wú)法知道測(cè)量的破壞性。目前這些LG不等式的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)都存在這一顯著漏洞,?！崩顐鞣逯赋觯⑶疫@些實(shí)驗(yàn)都局限在單個(gè)微觀粒子或者微米尺度的超導(dǎo)系統(tǒng)中,。

為避開(kāi)非破壞測(cè)量假設(shè),，德國(guó)烏爾姆大學(xué)教授Huelga于1995年提出靜態(tài)假設(shè)型的LG不等式，并將該理論于2014年進(jìn)一步發(fā)展,。

“由于靜態(tài)假設(shè)的正確性可以獨(dú)立檢驗(yàn)，因此這個(gè)不等式的違背可以嚴(yán)格歸因于宏觀實(shí)在性描述的不正確性,?！崩顐麂h說(shuō)，他們的研究小組已與Huelga教授展開(kāi)合作,，并在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了這個(gè)新型的LG不等式,。

李傳鋒研究組建立了我國(guó)首個(gè)固態(tài)量子存儲(chǔ)研究平臺(tái)，并在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了光子偏振態(tài)的固態(tài)量子存儲(chǔ)和高維糾纏態(tài)的固態(tài)量子存儲(chǔ),。近來(lái),，他們基于量子存儲(chǔ)平臺(tái)在國(guó)際上首次發(fā)展出一種全新的偏振依賴的原子頻率梳技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器集體激發(fā)模式精確可控的動(dòng)力學(xué)演化——這就滿足了LG不等式檢驗(yàn)所需要的系統(tǒng)演化,。

研究組基于窄帶參量光技術(shù)制備了880nm的“預(yù)報(bào)單光子”,，該單光子被送入兩塊空間分離2mm、厚度各為3mm的稀土摻雜晶體中,，并激發(fā)出存儲(chǔ)器集體激發(fā)模式的量子疊加態(tài),，其演化結(jié)果證實(shí)了對(duì)新型LG不等式的違背。

“關(guān)于該量子態(tài)的宏觀性是個(gè)有趣的話題,，我們的晶體尺寸為人眼可見(jiàn)的毫米尺度,。”周宗權(quán)告訴記者,，集體激發(fā)模式涉及了約1010個(gè)Nd離子的集體行為,，然而所考慮的兩個(gè)狀態(tài)真正的可區(qū)分度只是一個(gè)光子。

該研究結(jié)果已于近日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上,。審稿人高度評(píng)價(jià)該成果：“該工作發(fā)展了全新的手段檢驗(yàn)LG不等式……這一工作超越了前面的工作,，它既嚴(yán)格檢驗(yàn)了靜態(tài)假設(shè)，又觀察了宏觀空間尺度下的量子態(tài)演化,。這個(gè)工作顯然會(huì)引起廣泛興趣,，因?yàn)樗鼮樘剿髁孔优c經(jīng)典界限的廣泛的努力作出了貢獻(xiàn)?！?/p>

“按照Leggett提出的宏觀性判據(jù),，這個(gè)量子態(tài)只能看作是宏觀物體內(nèi)的微觀量子激發(fā),。”李傳峰介紹說(shuō),，在此工作的基礎(chǔ)上如果能增多系統(tǒng)的粒子數(shù),，則預(yù)期LG不等式的違背會(huì)越來(lái)越小，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定數(shù)目的時(shí)候?qū)⒉辉龠`背LG不等式,，這一粒子數(shù)目就可以看成是量子與經(jīng)典的界限——并且這一粒子數(shù)目很可能在不同大小的引力場(chǎng)中是不同的,。

“由此我們就可以劃定量子力學(xué)的適用范圍，從而最終解決薛定諤貓佯謬問(wèn)題,?！崩顐鞣逭f(shuō)。

鏈接——薛定諤貓

薛定諤貓是諸多量子困惑中頗具代表性的一個(gè),。一只貓被封在一個(gè)密室里,，密室里有食物也有劇毒的氰化物毒藥。毒藥瓶上有一個(gè)錘子,，錘子由一個(gè)電子開(kāi)關(guān)控制,，電子開(kāi)關(guān)由放射性原子控制。如果原子核衰變,，則放出阿爾法粒子,，觸動(dòng)電子開(kāi)關(guān)，錘子落下,，砸碎毒藥瓶,，釋放出里面的氰化物氣體，貓必死無(wú)疑,。

原子核的衰變是隨機(jī)事件,，物理學(xué)家無(wú)法知道，它在什么時(shí)候衰變,。當(dāng)然,，物理學(xué)家知道它衰變的幾率——也就是貓?jiān)诤螘r(shí)死亡的幾率。如果我們不揭開(kāi)密室的蓋子,，根據(jù)我們?cè)谌粘Ｉ钪械慕?jīng)驗(yàn),，可以認(rèn)定，貓或者死,、或者活,，這是它的兩種本征態(tài)。但是,，如果用薛定諤方程來(lái)描述薛定諤貓,，則只能說(shuō)，它處于一種活與不活的疊加態(tài)。我們只有在揭開(kāi)蓋子的一瞬間,，才能確切地知道貓是死是活,。

薛定諤借“半死不活、又死又活”的“箱中之貓”,，來(lái)闡述宏觀尺度是否遵從微觀尺度的量子疊加原理的問(wèn)題,，巧妙地把微觀放射源和宏觀的貓聯(lián)系起來(lái)，以此證明量子力學(xué)在宏觀狀態(tài)下的不完備性,。（趙魯整理）

作者：趙廣立