量子物理領域，一新紀錄被中國科學家打破——
中科大團隊成功讓薛定谔的貓活了長達整整 23 分鍾！
什麽概念呢？
以往人們以薛定谔的貓「到底是生是死」來闡釋原子的量子疊加狀态。因爲環境非常不穩定，所以這種狀态往往存續十分短暫——幾秒或者幾毫秒。
但現在這樣的存續時間有了質的飛躍，中國團隊成功讓這種量子疊加狀态持續了 1400 秒的時間。
這項研究由中科大少年班學院院長盧征天教授、合肥國家實驗室研究員夏添領銜，其成果發表在《自然 · 光子學》。
一旦證明這一長壽命薛定谔貓态的制備可行，那麽将來對于量子物理世界的研究有重要意義。
比如用來檢測和研究磁力、探索物理學中新的和奇異的效應，甚至可以用于非常穩定的量子計算機内存。
薛定谔的貓多活了 23 分鍾
先來簡單了解下物理學四大神獸之一——薛定谔的貓。
" 薛定谔的貓 " 是一個著名的思想實驗，由奧地利物理學家埃爾溫 · 薛定谔在 1935 年提出。
回顧一下實驗：
想象一個封閉的盒子裏有一個貓，一個裝有毒氣的瓶子，以及一個放射性原子。如果放射性原子衰變，就會觸發一個機制打碎瓶子，釋放毒氣，貓就會死。如果原子沒有衰變，貓就活着。
在量子力學中，放射性原子在沒有觀測之前，同時處于衰變和未衰變的疊加狀态。這意味着，在沒有打開盒子觀察之前，貓既是死的也是活的，處于一種生死疊加的狀态。
當我們打開盒子觀察貓的狀态時，量子疊加狀态會 " 坍縮 "，貓的狀态從既是死又是活的狀态變爲确定的死是活。這個過程也被稱爲波函數坍縮。
而這種一個系統同時處于兩種或多種截然相反狀态的量子疊加，就是薛定谔貓态。
在實驗中實現和維持薛定谔貓态非常困難，因爲這需要極高的隔離以防止溫度、磁場等環境幹擾導緻它們在幾秒或毫秒内坍縮到單一狀态。
本文研究科學家們曆史性地讓薛定谔貓态保持了長時間的穩定，相幹時間長達 23 分鍾。
（相幹時間是指量子系統在退相幹之前能夠保持量子特性的時間，退相幹指的是量子系統逐漸失去其量子特性的過程。）
在這個實驗中，薛定谔貓态是通過非線性自旋旋轉實現的，即原子的自旋同時指向兩個完全相反的方向。
具體來說，研究團隊利用波長爲 1036nm、功率爲 16W 的線性偏振光晶格激光束（束腰爲 20 μ m），在魔術波長上捕獲了大約10 ⁴個 ¹ ⁷ ³ Yb 原子。原子首先在鄰近腔室的磁光阱中被預冷并加載，随後通過移動光學偶極阱沿 x 軸方向輸送到測量室。
實驗裝置被四層磁屏蔽所保護，内置 cos ( θ ) 線圈在 z 方向上産生一個穩定均勻的 1.24 μ T 磁場，以最小化外部磁場幹擾。
實現上，團隊采用了以下三步驟的創新方案：
使用與 ¹ S ₀ ( F=5/2 ) → ¹ P ₁ ( F ′ =5/2 ) 能級躍遷共振的 σ + 偏振泵浦激光脈沖，将原子初始化到 |F, F ⟩拉伸态。
應用離共振的 σ ⁺偏振控制激光束，沿 x 軸方向傳播，通過調節非線性交互作用（張量交流斯塔克位移）誘導自旋旋轉。
使用與 ¹ S ₀ ( F=5/2 ) → ³ P ₁ ( F ′ =7/2 ) 能級躍遷共振的 σ ⁺偏振探測光束測量 |F, F ⟩态中的歸一化布居數，利用光學晶格引入的差分張量光移位進行狀态選擇性測量。
通過精确控制控制激光的頻率和強度（80 mW/cm ²），實驗中測得的拉比頻率爲：
這一系列精确操作成功制備出了 ¹ ⁷ ³ Yb 原子的薛定谔貓态，該狀态是具有自旋量子數 5/2 的原子核自旋投影态 m=+5/2 和 m= − 5/2 的量子疊加。
關鍵是，團隊發現這個貓态被保護在無退相幹子空間中，對光晶格産生的非均勻張量光移具有免疫力。這是因爲光晶格的哈密頓量 H ₜ與貓态密度矩陣 ρ cat 和 H ₒ都對易，從而避免了光場帶來的退相幹。
這使得貓态實現了1.4 ( 1 ) × 10 ³ 秒的超長相幹時間，即約 23 分鍾，遠超常規相幹自旋态（CSS）在相同條件下實現的 0.9 ( 2 ) × 10 ³ 秒相幹時間。
值得注意的是，目前實驗中的真空阱壽命爲 71 ( 1 ) 秒，研究人員指出通過改善真空條件，貓态的壽命有望進一步延長以匹配其相幹時間，同時還可以借助自旋回波技術來進一步減少退相幹效應。
測量靈敏度接近海森堡極限
爲表征貓态對 1.24- μ T 靜态磁場的靈敏度，研究人員進行了拉姆齊幹涉測量。
通過兩個間隔爲 τ 的 ( π /2 ) cat 脈沖序列，在 160 秒的測量時間内，态的布居數保持在 0.90 ( 3 ) ，幹涉條紋對比度達到 0.88 ( 3 ) 。
最終實現了 0.12 ( 1 ) nT 的磁場測量靈敏度，比标準量子極限 0.22nT 提高了約 1.8 倍，接近海森堡極限（HL）的 0.10nT。
作爲對比，同樣條件下的相幹自旋态隻能達到 0.70 ( 10 ) nT 的靈敏度，比标準量子極限 0.22nT 的靈敏度差了約 3.2 倍。
這項工作的意義體現在多個方面。
具有長相幹時間的高自旋系統在量子科技領域具有廣泛應用前景，可用于發展量子存儲器，并爲量子計算中的錯誤糾正提供必要的冗餘度。
特别值得一提的是，這項工作爲尋找自旋傳感器提供了新的可能性。傳統上，具有基态 J=0 和核自旋 I=1/2 的原子（如 ³ He、¹² ⁹ Xe、¹ ⁷ ¹ Yb 和 ¹ ⁹⁹ Hg）被認爲是理想的自旋傳感器候選者。
而這項研究表明高自旋同位素同樣可以勝任這一角色。例如，¹ ⁷ ¹ Yb/ ¹ ⁷ ³ Yb 這樣的同位素對爲開發雙物種冷原子共磁力計提供了新的可能性。
更重要的是，這個展現出接近海森堡極限磁場測量靈敏度的貓态，不僅可用于高精度磁場測量，還可應用于尋找永久電偶極矩、檢驗洛倫茲不變性，以及探索超出标準模型的新物理現象，爲量子精密測量領域開辟了新的研究方向。
中科大少年班院長領銜
此次研究來自中科大夏添、盧征天、鄒長鈴等人一起合作。
通訊作者之一盧征天，目前是中國科學技術大學物理學院傑出講席教授、少年班學院院長。
研究方向包括檢驗時空及物質與反物質之間的對稱性，尋找标準模型之外的新物理；發展超靈敏同位素痕量探測新技術，同時開展在地球與環境科學中的應用；對于原子核、原子與分子的精密測量。
另一位通訊作者夏添，目前是合肥國家實驗室研究員。他本科畢業于清華大學，随後前往普林斯頓大學攻讀博士。
研究方向包括通過對原子固有電偶極矩的測量來檢測基本作用中對稱性的破缺來尋找标準模型之外的新物理；以原子物理爲平台的精密測量；以中性原子爲平台的量子信息；用光抽運的方法實現原子自旋的磁極化。
對于這項成果，研究人員表示，這一長壽命薛定谔貓态的制備，将爲原子磁力計、量子信息糾錯以及探索新物理等開辟出新途徑。
參考鏈接：
[ 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
