中国科学家让「薛定谔的猫」活了20多分钟，如何通俗易懂解释这个科学成果？
2024-11-19 阅读 89
更新于 2024年11月21日
中国量子惊人突破！薛定谔猫活了23分钟，量子导航时代或来临？想象一下，量子世界里有一只神奇的"猫"，它即死了又活着，同时处于生与死的叠加态。这种违反直觉的量子态通常像光一样稍纵即逝，只能维持毫秒甚至微秒、纳秒级的极短时间。自量子力学诞生以来，科学家们就一直在努力延长量子叠加态的寿命，现在这个被认为几乎不可能的任务已经变成现实。
中国科学技术大学与合肥国家实验室夏添、卢征天、邹长铃等人合作，利用激光冷原子方法制备成基于自旋的薛定谔猫态，其寿命达到分钟量级，有助于提升对自旋进动相位的测量灵敏度。相关成果以“Minutes-scale Schrӧdinger-cat state of spin-5/2 atoms”为题于11月1日发表在《自然-光子学》期刊上(Nature Photonics)。
Yang, Y.A., Luo, WT., Zhang, JL. et al. Minute-scale Schrödinger-cat state of spin-5/2 atoms. Nat. Photon. (2024). https://www.nature.com/articles/s41566-024-01555-3这项突破为什么如此重要？让我们从三个层面来解读一下：
第一层：超越经典的量子精密测量想象一下你正在用一把尺子测量物体。按照经典物理学，测量精度永远无法超过这把尺子最小刻度的1/√N（N是测量次数）。这就是所谓的"标准量子极限"。但是通过量子技术，科学家们找到了一条"超车"的道路。
中科大团队利用镱-173原子的核自旋，创造出了一种特殊的量子态——"薛定谔猫态"。就像薛定谔的猫同时处于生死叠加态一样，这些原子被放在了两个完全相反的自旋状态的叠加态中。这种奇特的状态可以把测量精度提高到海森堡极限，理论上是经典极限的1.8倍。
第二层：突破性的技术创新要维持这种精密的量子态，就像在刀尖上跳舞。任何来自环境的微小干扰都会破坏这种叠加态，这就是为什么之前的量子态通常只能维持很短时间。
那么科学家们是如何做到的呢？他们开发了三个关键技术：
一、"魔术波长"光晶格：用特殊频率的激光束创造出一个完美的原子陷阱。
二、"无退相干亚空间"：为量子态提供了一个不受外界干扰的"避风港"。
三、"非线性自旋旋转"：精确控制原子的量子态。
简单来说，这就像是给量子态建造了一个隔音、防震、恒温的"豪华套房"，让它可以安心地待上超过20分钟。
第三层：革命性的应用前景这项突破的意义远不止于创造纪录。科学家们用这个系统进行了磁场测量实验，灵敏度达到了0.12纳特斯拉，接近理论极限的0.10纳特斯拉，比标准量子极限提高了1.8倍。
这种超高精度测量技术，未来将可能应用于更精确的原子钟、更灵敏的磁场探测器、寻找超出标准模型的新物理现象以及令人期待的量子导航系统，也为原子磁力计、量子信息纠错以及探索新物理等开辟了新途径，向我们展示了量子技术的巨大潜力，为超精密测量打开了一扇新的大门。
镱-173原子自旋在一维光晶格中形成薛定谔猫态。左边两个球体分别代表自旋朝上、朝下的两个本征态，它们叠加形成由右边球体代表的薛定谔猫态。
请注意，不是让薛定谔猫活了20分钟，而是让猫态持续存在了20分钟。这里的“猫态”是一种科学家们约定俗成的术语，指的是两个量子数相差最大的本征态的叠加态。
这是一个原子，不是一只猫。
这是两个自旋态的叠加，不是生和死的叠加。
贾明子老师解释得很清楚了，是让“猫态”持续了20多分钟，不是让“薛定谔的猫”活了20多分钟……媒体就是这么报道科学的？
想起了这张经典的梗图:
翻译
科学家:我们杀死了小白鼠尾巴上10%的癌细胞。
媒体:癌症被治愈了！
科学家:我们没有治愈癌症，我们只是向着未来的治疗方法快速前进。
媒体:时间旅行成为可能！
科学家:法克油！
媒体:科学家强暴记者！
这个研究涉及到量子力学中的薛定谔猫态（Schrödinger cat state），这是一种量子叠加态，其中宏观上不同的状态可以共存。下面是对您提供信息的详细解释：
• 薛定谔猫态的实现：中国科学技术大学的研究人员使用激光冷却的镱-173（Ytterbium-173）原子，实现了基于自旋的薛定谔猫态。这种状态的持续时间长达一分钟，有助于更精确地测量自旋进动的相位。
• 实验过程：研究人员将自旋-5/2的镱-173原子放入光学晶格中。通过激光脉冲引起原子中的非线性光学频率变化，制造出自旋投影为+5/2和-5/2的状态共存。因为这两种状态的磁量子数之间的距离最大，所以被称为薛定谔猫态。
• 对磁场的敏感性：这种状态对磁场更敏感，并且在光学晶格中具有相同的光学频率变化。由于它处于“去相干免疫子空间”（decoherence-free subspace），因此它不受噪声和光格中光形状变化的影响。
• 实验结果：实验显示这种猫态可以持续超过20分钟。通过拉姆齐干涉测量方法，研究人员发现相位测量的灵敏度接近海森堡极限（Heisenberg limit），这是量子测量理论中可能达到的最佳精度。
• 科学意义：这项研究不仅展示了在较长时间内维持量子叠加态的能力，而且还提高了量子测量的灵敏度，这对于量子计算、精密测量和量子信息处理等领域具有重要意义。
简而言之，这项研究通过精确控制和测量量子系统，实现了一种特殊的量子态，这种状态在理论上对于探索量子力学的基本原理和开发新型量子技术具有重要价值。
那这个到底有什么用。
好的，我来尝试用更通俗的语言解释这项研究的用途：
• 提高测量精度：这项研究通过制造薛定谔猫态，提高了测量原子自旋变化的精度。这就好比我们用一个非常精确的尺子来测量东西，可以量得更准确。
• 量子计算机：这种精确的测量技术对量子计算机的发展很重要。量子计算机是一种新型计算机，它使用量子力学的原理来处理信息，比现在的计算机快得多。这项研究帮助科学家们更好地控制和测量量子计算机中的量子比特。
• 精密仪器：在很多科学实验和工业应用中，我们需要非常精确的测量。比如在医学成像、天文观测等领域，这种技术可以帮助我们得到更清晰的图像和数据。
• 探索量子世界：通过这种研究，我们可以更深入地了解量子力学的奇特现象，比如量子叠加和量子纠缠。这有助于我们解开宇宙的奥秘。
• 新技术的基石：这种研究可能为未来的新技术打下基础，比如更精确的导航系统、更高效的通信技术等。
总的来说，这项研究虽然听起来很复杂，但它实际上是在帮助我们开发更先进的技术和设备，让我们的生活变得更好。就像我们今天使用的智能手机和互联网，它们的很多技术都是基于几十年前看似深奥的科学研究。所以，这项研究的用途可能在未来几十年后才会完全显现出来。
猫态与塌缩又没关系了？
