从量子测量的最新进展看薛定谔猫佯谬

从量子测量的最新进展看薛定谔猫佯谬 0710289张禹0710290张志鹏 一 引言 在物理学界 薛定谔猫可是大名鼎鼎 并不比风靡世界的加菲猫逊色 薛定谔猫最早被放出是在1935年 一问世就让当时所有的物理学大腕们痛苦不堪 半死不活 这就是当年奥地利物理学家薛定谔提出的一个物理学佯谬 薛定谔 ErwinSchrdinger 1887 1961 奥地利理论物理学家 薛定谔最杰出的贡献是在1925年底至1926年初提出了薛定谔方程 他还证明了波动力学和矩阵力学在数学上是等价的 是量子力学的两种形式 为此 薛定谔荣获1933年的诺贝尔物理学奖 以后 他致力于研究有关波动力学的应用和统计诠释 以及广义相对论和统一场论问题 二 什么是薛定谔的猫 下图刻画了所谓的薛定谔猫假想实验 薛定谔设想 将一只猫关在一个盒子里 盒子里还置有一个放射源 一个毒气瓶以及一套受检测器控制的 由锤子构成的传动装置 放射源以每秒1 2的几率放射一个粒子 这个粒子触发检测器 驱动锤子击碎毒气瓶将猫毒死 而如果没有粒子释放出来 则猫仍然活着 放射源何时放射粒子是不确定的 按量 子力学解释是处于0和1的叠加态 那么在未打开盒子进行观测前 按量子力学解释这只猫也应处于死猫和活猫的叠加态 三 薛定谔猫引发的哲学讨论 由 薛定谔猫佯谬 可以延伸出两个科学问题 1 量子力学是否适用于宏观世界 2 在量子测量中 量子叠加态如何向统计混合态过渡 与之相应 也可以延伸出两个哲学问题 1 量子态是否是一种真实的客观存在 2 如果是 它能否被客观地认识 然而 在薛定谔时代 由于争论的这些关键性问题在当时无法用实验检验 只是停留在思辨性的层面上 因此 难免就使许多人产生了理解上的偏差 从而引起了追随科学前沿的不同哲学流派的争论 四 薛定谔猫与多元世界观 20世纪20年代中期 玻尔和海森堡的 哥本哈根解释 对刻画微观世界物质运动规律的量子力学的概念基础进行了全面的理论诠释 提出了量子力学的 哥本哈根解释 为了解释薛定谔猫 哥本哈根学派认为这只不幸的猫在某人打开盒子往里看个究竟之前 只能处于这种不死不活 亦死亦活的叠加状态 只有当人打开盒子往里看时 猫的死活才变得真实 即猫的死活将不再是一种独立于观察者主体的客观实在 而是依赖于观察者的测量 这种解释未能让一批理论工作者心服口服 后来是埃弗雷特 HughEverett 创立了多元世界理论 该理论指出宇宙间相互叠加的波函数在确定之前 留有很多选择余地 它们相互之间是平行的 从未确定 观察者并不是让几率减少了 而只是从众多现实的可能性中挑选一种 运用到薛定谔的猫这一情景上面 这就意味着 这里不只是一只猫 而是两只猫 一只是活的 一只是死的 哥本哈根学派说 观察员通过打开箱子使这两种可能性中的一种成了事实 与此相反 埃弗雷特认为两种可能性仍旧是现实的 只有观察员在两者中选择一种 五 薛定谔猫实验研究进展和解释 20世纪90年代下半叶 随着量子测量的实验技术的发展 物理学家在实验室上观察到大分子的量子干涉现象 并制备出介观和宏观制度的 薛定谔猫 态 从而使得宏观量子干涉和死活叠加的 薛定谔猫 成为了现实 1 单原子 薛定谔猫 的成功制备 1996年 美国国家标准与技术学院 NIST 的物理学家蒙罗 Monroe 带领实验小组成功地实现了单原子级的 薛定谔猫 的制备 这是现代物理学史上在大于微观尺度的介观水平上成功实现的第一个 薛定谔猫 实验 它拓展了量子力学的适用范围 实验初步观察到 薛定谔猫 从 死活 叠加的量子态 变为经典的 死猫 或 活猫 是随着猫态变大而加速的 这表明经典态并不是因为我们看才存在或说有确定的态 这其中深藏着一种量子向经典过渡的退相干机制曾经躲过了我们的眼睛 这个实验让许多物理学家困惑的 死活叠加的 薛定谔猫 态成为了现实 尽管这个物质态的类 薛定谔猫 态非常小 算不上是宏观意义上的 薛定谔猫 它让我们认识到 自然并不把量子相干叠加性仅局限于微观世界 量子力学可以适用于比围观尺度更大的介观尺度 这个实验为可控的研究量子退相干 从而探测量子与经典的边界 提供了操作上的可能 2 薛定谔猫 渐近退相干的微腔QED实验 1996年到1998年 巴黎ENS的哈罗实 Haroche 领导的小组的实现了腔中辐射场相干叠加态的 薛定谔猫 的制备 这个实验一方面打破了玻尔所认定的测量仪器必须是经典物理学研究范畴的观念 另一方面也首次在量子测量过程中用可控的方法 成功地完成了量子叠加态退相干过程的动力学观察 揭示了量子测量中量子系统相干性的消失 经典性的出现确实与人类观察者的 主观介入 不相干 这个实验的理论意义可以归纳为以下几点 1 试验通过验证多粒子体系也可以出于量子叠加态 表明了 薛定谔猫 态可以客观存在 物质世界的本性是量子的 2 实验制备 薛定谔猫 态 并测得其退相干时间 说明量子态向经典的过渡 不一定是仪器测量作用的结果 更不是人眼观察的结果 3 实验通过解释量子退相干的基本动力学特征 清楚的显示了大系统中量子相干性的极端脆弱性 3 大分子的量子干涉实验 1999年 奥地利维也纳大学的实验物理学采林格 Zeilinger 领导的研究小组 沿着 宏观量子干涉存在 的方向进行了开拓性的研究 他们让一个富勒烯分子 通过一个特制的衍射栅演示了一个大分子的量子双缝干涉实验 成为现代物理学史上第一个检验具有丰富内部自由度的较大单粒子具有量子相干叠加性的实验证明 这个实验的重要意义在于 它使得我们对 宏观量子干涉是否存在 这个基本科学问题 通过实验检验有了全新的理解 实验证明了尺度大于衍射栅上双缝宽度的粒子 也可以发生干涉现象 也可以有量子叠加效应出现 量子干涉不是微观粒子特有的权利 比衍射结构更大的物体也可以展示量子干涉 也是量子力学波粒二象性的统一体 沿着这条研究路线 一旦探测到更为宏观的物体也具有量子相干叠加性 就为理解有量子力学的叠加原则引发的 薛定谔猫佯谬 提供了一定实验意义上的说明 但现实的情形又是 波粒二象性对宏观物体而言除了在极低温的条件下 通常是难以观察到其波动性的 为了通过实验观察量子退相干的发生 一个可能性就是增大衍射缝间距 已记录分子辐射的红外光子 但是要产生分子干涉条纹 就必须使衍射缝的间距能和物质波长相比较 而的物质波波长远小于其空间尺度 因此只能进一步激发分子产生波长较短的辐射光 这是因为破坏干涉的条件即使不被满足 退相干也可能通过多光子散射发生 一旦做到这一点 就能很好的研究物体的宏观性如何导致它 经典性 的 而经典性取决于它自己退相干的程度 这个实验让我们认识到甚至连分子这样还远远不是宏观无力的大分子 都不能保证不发生量子退相干 可想而之猫狗的量子相干性就更难保持了 这在某种程度上证明了量子原则上的普遍存在性和量子性的退相干与主体的意识的无联性 4 薛定谔猫 变胖了 SQUID宏观量子叠加实验 2000年 纽约州立大学石溪分校 SUNYStonyBrook 的弗里德曼领导的实验小组运用一个超导量子干涉仪 SQUID 成功地实现了两个宏观不同磁通态的量子叠加实验 在这个实验中 两个宏观不同的磁通态 一个对应于顺时针方向绕环流动的一些微安培电流 相当于 活猫 一个对应于逆时针方向绕环流动的等量的微安培电流 相当于 死猫 它们在环中反向流动所形成的对称和反对称的叠加 相当于一只死活叠加的 薛定谔猫 宏观 薛定谔猫 态的成功制备 打破了微观量子和宏观经典的二分法 表明量子力学具有普适性 通常的宏观系统会与环境耦合从而导致宏观量子态迅速退相干 使得宏观经典态成为一种常态 换言之 用超导量子干涉仪实现的 薛定谔猫 实验 通过缩小 薛定谔猫 的理论想法与现实之间的差距 给出宏观世界原则上确实存在量子相干叠加态 我们日常随处可见的经典态都是量子态自动退相干的结果 表明量子力学是一个可以描述所有尺度物质的行为的内在的自洽的理论 薛定谔猫佯谬 只是一个背负着对量子力学理解不足印记的时代产物 是由此产生的一个哲学佯谬 量子理论确实失效的地方是因为系统与环境的耦合导致了退相干 这一发现标志着实验量子力学物理学中的一个重大里程碑 也标志着科学解决 薛定谔猫佯谬 的哲学论争的一个重大里程碑 2007年2月 中国科技大学微尺度物质科学国家实验室的潘建伟等 通过对多光子操纵技术的进一步发展 实现了由6个光子极化状态相干叠加形成的薛定谔猫态 并在同一装置上实现了可直接用于量子计算的六光子簇态 这是目前国际上纠缠光子数最多的薛定谔猫态和可直接应用于量子计算的簇态 刷新了光子纠缠和量子计算领域的两项世界纪录 5 小结 近年来 量子测量的实验研究新进展 为长期以来处于哲学思辨层面的量子力学的哲学纷争的解决 提供了科学实验上的依据让我们对物质世界的本性 量子测量和量子退相干的意义 有了更为清晰的认识 然而 当实验上已成功制备出了 薛定谔猫 态 并观测到了介观 薛定谔猫 的退相干实际上是一个于人类观测者是否在场不相关的过程时 仍然有一个亟待解决的问题 如果根据实验观测说 薛定谔猫 的退相干是组成系统的粒子数目增多的一个自然的结果 那么为什