薛定谔的兔子从来没有这么帅过，最新的一只也不例外。 超细原子云或微型晶片的图像不太可能在互联网上传播。 同样，这些独特的物体值得注意，因为它们以前前所未有的清晰度表明量子热不仅仅是最微小的数学。
粗略地说，“薛定谔的兔子”是介于原子尺度之间的一个物体，原子尺度最初是用来描述量子热的，而埃尔温·薛定谔曾用这只非常愚蠢的猫来指出该理论的含义。 这样的系统是“介观的”——可能与病毒或细菌大小相当——包含数千甚至数十亿个原子，因此比出现量子热反直觉特性的典型尺度要大得多。 他们解决了一个问题：在保持这种量子质量的同时，你能走多远？
从最新的结果来看，答案是：相当多。 两种不同类型的实验——都是由几个独立的小组进行的——长期以来一直表明，大量原子可以进入集体量子态，我们不能肯定地说该系统具有一组属性或另一组属性。 在一组实验中，这意味着“纠缠”冷原子云的两个区域，使它们的特性相互依存并以一种似乎无视空间分离的方式相关联。 另一方面，微观振动的物体被操纵成所谓的振动状态的叠加。 这两个结果和薛定谔臭名昭著的猫的方法大致相似，甚至藏在它的育儿袋里，据说是生死状态的叠加。
自 20 世纪初量子理论首次发展以来，量子热规则如何分解为截然不同的经典热规则——物体具有明确定义的属性、位置和路径——一直困扰着科学家。 小型经典物体和小型量子物体之间是否存在一些根本区别？ 施罗的思想实验以标志性的形式指出了所谓量子经典革命的困境。
可怜的猫是一只被误解的野兽。 如果经常暗示，如果外推到日常尺度，薛定谔的想法并不是量子热力学的明显愚蠢。 这只猫是爱因斯坦批评德国化学家尼尔斯·玻尔及其朋友所倡导的量子热解释后，薛定谔与爱因斯坦通信的产物。
玻尔认为，虽然量子热学引导我们进行推论，但在我们检测到它们之前，电子等量子物体的属性没有明确定义的值。 对于爱因斯坦来说，现实中的各个元素都依赖于我们有意识的干预才能实现，这对爱因斯坦来说似乎很疯狂。 1935 年，他与两个年轻朋友鲍里斯·波多尔斯基 (Boris ) 和内森·罗森 ( Rosen) 一起提出了一个思想实验，但未能解释清楚。 他们中的三个（他们的工作现在被集体标记为 EPR）强调可以在必须相互关联的状态下创建粒子，从某种意义上说，如果其中一个对单个属性具有特定值，则other 一定也有一些其他特殊的价值。 在两个具有称为载流子的属性的电子的情况下，一个可以指向“向上”，而另一个电子的载流子指向“向下”。
在这些情况下，根据爱因斯坦和他的朋友们的说法，如果玻尔是正确的在物理学中量子指什么，但在检测到旋转之前的实际方向是不确定的，那么这两个旋转的相关性意味着检测到其中一个旋转将立即修补另一个旋转方向——无论粒子有多远。 爱因斯坦将这些非凡的联系称为“远距离的怪异行为”。 但这些现象应该是不可能的，因为爱因斯坦的狭义相对论表明没有任何效应可以比光传播得更快。
薛定谔觉得这些相关性存在于粒子的“纠缠”之间。 自 20 世纪 70 年代以来的实验表明，它是一种真正的量子现象。 但这并不意味着量子粒子可以通过爱因斯坦的奇思妙想突然以某种方式相互影响。 更好的说法是，单个粒子的量子特性不一定在空间中的某个固定位置确定，而可能是“非局部的”：仅在其他地方的另一个粒子中完全指定，其形式虽然破坏了我们的直觉空间概念和距离。
薛定谔的猫出现在他对 EPR 纠缠特性的思考中。 薛定谔想要证明玻尔的观点，即如果我们想象纠缠高于日常规范，那么在我们检查之前没有什么是固定的可能会导致逻辑上的愚蠢。 他的思想实验将这只倒霉的猫放在一个封闭的袋子里，袋子里装有一瓶致命的毒药在物理学中量子指什么，可以通过某种机制打开——与量子粒子或风暴波缠绕在一起。 触发器可能来自一个电子，如果它向下旋转，它会破坏大桶，但如果它向上旋转，则不会。 之后，您可以将电子投射到所谓的状态叠加中，其中自旋向下和自旋向上都是检测的可能结果。 如果旋转在检测之前是未定义的，那么猫的状态也必须如此——你不能有意义地说它是活的还是死的。 这一定是荒谬的。
薛定谔的观点不仅仅是量子规则在应用于日常规模时会导致明显的废话——你不需要那只猫。 更准确地说，他想找到一个极端的证明，说明将任何明确状态（活着或死去）的分配推迟到检测（通过打开盒子查看）可能会导致禁止意义的形成。
对于玻尔来说，这可能是一个无效的情况——打开袋子和看猫这样的检测对他来说总是一个宏观的，因此是经典的过程，因此量子规则将不再适用。 但这样的测试如何确保从量子到经典的神奇过渡？
为什么不试验而不是争论呢？ 问题是，虽然薛定谔通过将它与某种原子级风暴联系起来来制造“量子”的想象非常好，但我们如何——或者事实上——我们能否在实践中做到这一点却并非如此。 就量子态而言，生死叠加意味着什么，或者实际上是清楚的。
使用现代技术，我们可以想象为相对较大的物体创建定义明确的量子叠加——不像猫那么大，但比孤立的原子大得多——但可以检测它们的特性。 这就是创造薛定谔的兔子的努力所在。
“许多化学家不希望大范围出现任何意外，”英国代尔夫特理工学院的 Ö 说。 “这是日常物品的典型比例。
新实验表明，与薛定谔的想法不同，相对较大的物体确实表现出违反直觉的量子行为。
10 微米长的硅束的显微图像
这种 10 微米长的硅光束用于创建几乎宏观物体的量子热组合。量子纳米科学系 Grö 实验室
Grö 和他的朋友们创造了硅微晶束，每束长 10 微米，横截面为 1 x 0.25 微米。 每个沿光束都有孔，可以吸收和捕获红外激光。 然后，研究人员用叠加的光线对光束进行爆破，每条光束一个。 通过这样做，他们能够将两束光纠缠成一个单一的量子振动状态。 你可以把它想象成两只纠缠在一起的猫的超小等价物。
ää 和美国阿尔托学院的朋友以及 Grö 的自然小组在背靠背的论文中报道了机械振荡器之间的另一种纠缠。 他们用超导线连接了两个微小的鼓面形金属板。 电缆线可以包含以微波频率振荡的电压（每秒约 50 亿次振动）； 它的电磁场对振动板施加压力。 “电磁场作为一种媒介将两个鼓面推入纠缠的量子状态，”ää 说。
长期以来，研究人员一直试图在像这个包含数十亿个原子的“大型”微机械振荡器中实现叠加和纠缠等量子效应。 “自 20 世纪 70 年代后期以来，机械振荡器中的纠缠态一直在理论上进行讨论，但在过去几年中，技术上才有可能创造这种状态，”ää 说。
此类实验之所以如此强大，是因为它们绕过了将小物体从受量子规则支配的物体转变为服从经典数学的物体的通常过程。 这个过程，同时提供了检测困境中缺失的部分（至少是大部分），让玻尔非常费解。
它被称为退相干——但是，相当巧妙地，它都是纠缠。 根据量子热力学，纠缠是两个量子物体之间任何相互作用的必然结果。 因此，如果一个物体——比如一只猫——开始时是状态的叠加，那么这些叠加——你可能会说这些量子——随着物体与其环境的相互作用而展开，并越来越多地与其环境纠缠在一起。 如果你想真正观察叠加态，你需要推导所有纠缠粒子的量子行为。 这很快看起来是不可能的，因为它会分散墨水中的所有原子，因为它会在游泳池中扩散。 由于与环境的相互作用，原始粒子的量子特性被泄漏和分散。 那就是退相干。
量子理论家长期以来一直表明，退相干会产生经典数学中所见的行为。 实验家已经在可以控制退相干率的实验中证明了这一点，其中随着退相干的进行，粒子的波状干涉等特征量子效应逐渐消失。
为此，退相干是当前对量子正则位移理解的核心。 物体表现出量子行为的能力，例如由纠缠引起的干涉、叠加和相关性，与其大小无关。 相反，它取决于它与环境的纠缠程度。
不过，尺寸通常会发挥作用，因为物体越大，就越容易与其周围环境和室内装潢纠缠在一起。 像猫这样的大型、温暖、不安分的物体没有希望以任何方式维持量子热叠加，但或多或少会立即消除它。
如果你只是把一只猫放在一个袋子里，并将它的命运与某种量子风暴的结果联系起来，你就不可能把它置于生与死的叠加状态，因为退相干几乎会立即迫使它进入一种状态或其他。 . 假设您可以通过消除与环境的所有交互来抑制退相干（无需在超级真空中杀死猫！）——好吧，那是另一个故事，争论仍然存在。 几乎无法想象如何为猫实现这一目标。 但这实际上是 Grö 和 ää 的团队用他们的微型振荡器取得的成果。
我们不是自上而下地研究量子规范边界，看看我们是否能让量子在足够小时振动，而是自下而上地研究它。 由于我们知道叠加和干涉等量子效应很容易在单个原子甚至小分子中看到，我们可能想知道随着我们不断添加更多原子，这种效应能持续多久。 三个团队现在已经探索了这个问题，通过将它们纠缠在一种称为玻色-爱因斯坦冷凝器 (BEC) 的状态中，从而在数万个超冷原子的云中实现量子态。
爱因斯坦和美国化学家 Nath Bose 强调，这些状态可能存在于玻璃骰子（以玻色命名）中，玻璃骰子是两种常见的基本粒子之一。 在 BEC 中，所有粒子都处于相同的单一量子态，这实际上意味着它们充当一个巨大的量子物体。 由于它是一种量子效应，玻色-爱因斯坦收敛仅在极低的温度下发生，而 BEC 仅以其最纯粹的形式——一团玻璃状骰子粒子——于 1995 年在铷原子中冷却至十亿分之一度，低于绝对零.
由这些超冷原子制成的 BEC 为化学家提供了一种研究量子现象的新媒介。 过去，研究人员已经表明，这样的云——可能有几千个原子——可以处于所有原子都量子纠缠的状态。
法兰克福的美国莱布尼茨研究所说，这严格来说不是薛定谔的兔子。 这些通常被定义为尽可能不同的状态的叠加：例如，所有状态都有向下旋转和向上旋转（类似于“活着”和“死去”）。 在这个纠缠的原子云中并非如此。 尽管如此，他们一直在相对大规模地展示量子行为。
然而，还有一个更重要的条件，即它们是 EPR 式纠缠的“小猫级”体现。 这些原子在空间中混杂在一起，并且是相同的，无法区分。 这意味着虽然它们纠缠在一起，但你看不到这里一个对象的属性和那里另一个对象的属性之间的相关性。 “玻色-爱因斯坦超冷原子团，由大量难以区分的原子组成，在任何数学意义上都是可观察到的，”说。 “因此，纠缠的最初定义 [如 EPR 思想实验所描述的那样] 未能在其中实现。” 事实上，无法区分的粒子之间纠缠的整个概念在理论上是有争议的。 德国海德堡研究所的研究人员说：“这是因为纠缠的概念需要定义相互纠缠的 [不同] 子系统的可能性。”
更清晰的纠缠，直接类似于 EPR 思想实验中空间分离粒子的纠缠，现已在法兰克福小组、赫克斯堡小组（由 领导）和英国巴塞尔团队的三个独立实验中得到证明。 由首尔大学领导的团队。 “当在这些空间分离的系统之间观察到纠缠时，与经典化学的冲突尤为突出，”说。 “这是 1935 年 EPR 论文中考虑的情况。”
这三个小组都使用由数百至数千个铷原子组成的云，这些铷原子被保持在电磁捕获场中（由“原子芯片”上的微观元素或通过交叉激光束形成）。 研究人员使用红外激光来爆发原子载流子中的量子跃迁，并寻找自旋值之间的相关性，这是纠缠的标志。 实际上，海德堡和巴塞尔团队处理的是一个小云中的两个不同区域，但该团队实际上通过在中间插入一个空白来分割云。
巴塞尔和海德堡小组通过一种称为量子操纵的效应证明了纠缠，其中两个纠缠区域的显着相互依赖性被用来促进一个区域的检测，以便研究人员可以预测另一个区域的检测。 “'指导'一词是由薛定谔引入的，”解释道。 “这意味着，根据A区的探测结果，我们用来描述系统B的量子态发生了变化。” 但这并不意味着 A 和 B 之间有任何即时的信息传递或通信。“因为检测的结果仍然是概率性的，所以对远距离系统的状态没有确定性的控制，”说。 “没有任何因果关系。”
这样的结果“非常令人兴奋”，柏林自由学院的延斯说，他没有参与这项工作。 “很久以前就已经建立了原子蒸汽的纠缠，”他说，“但这里的不同之处在于这种系统的可轮询性和控制水平。”
不仅可以更清楚地展示空间分离区域之间的纠缠，而且以这些方式进行操作还有实际优势：您可以分别处理不同的区域以进行量子信息处理。 “即使在原则上，也不可能在不影响所有其他原子的情况下解决 BEC 中的单个原子，因为它们都位于同一位置，”说。 “然而，如果我们能够独立解决两个空间分离的区域，那么这种纠缠似乎对量子信息任务很有用，例如量子隐形传态或纠缠交换。” 然而，这需要将云的化学分离减少到 的限制之外。 他补充说，目前的实验。 理想情况下，比如说，您可以将云进一步定义为可单独轮询的原子。
像这样的“大”量子物体也可能使我们能够探索新的数学：例如，找出当引力开始对量子行为产生重大影响时会发生什么。 “通过这些控制和操纵大纠缠态的新方法，可以在引力理论中进行复杂的量子效应测试，”说。 例如，有人提出引力效应可能导致量子态化学坍缩成经典物质，这些想法原则上适用于大质量叠加态或纠缠态的实验。 测试化学坍缩模型的一种方法是在不同的原子“物质波”之间进行干涉——他补充说，他的团队分裂的、纠缠的 BEC 可以用作这样的原子干涉仪。 “随着系统规模的减小，大多数数学家可能不会预料到量子化学会突然崩溃，”他说。 但补充说，“如果对物体的大小有一个基本的限制，这在实验和理论上仍然是一个悬而未决的问题。”
“最有趣的问题是，如果某个基本规范无法以某种方式纠缠在一起怎么办，”ää 说。 因为引力导致的坍缩。”如果引力确实起作用，这可能会提供一些线索，说明如何发展一种量子引力理论，将目前不相容的量子力学和广义相对论理论结合起来。
这对薛定谔的兔子来说是一个绝妙的把戏。 就目前而言，他们指出了一种普遍的信念，即除了将自身旋转成一个日益沮丧的猫摇篮之外，量子行为没有什么特别之处，我们的规范网络就是从这个摇篮中诞生的。 并且不会在此过程中杀死任何猫。
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