薛定諤的貓似乎又“胖”了。物理學(xué)家創(chuàng)造出迄今最大的“疊加態(tài)”，這是一種物體同時(shí)存在于多個(gè)可能位置的量子態(tài)。1月21日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。

奧地利維也納大學(xué)團(tuán)隊(duì)將由大約7000個(gè)直徑約8納米的鈉金屬原子組成的原子團(tuán)，置于不同位置的疊加態(tài)中。這些位置彼此間隔133納米。這些原子團(tuán)并不是像臺(tái)球般穿過實(shí)驗(yàn)裝置，而是呈現(xiàn)出一種波動(dòng)，向外擴(kuò)散至空間上相互分離的路徑的疊加態(tài)，隨后發(fā)生干涉，形成一種可被研究人員探測(cè)的特定圖案。

“這是一個(gè)非常出色的成果。”德國弗里茨·哈伯研究所物理學(xué)家Sandra Eibenberger-Arias說，量子理論雖未限制疊加態(tài)的最大規(guī)模，但日常物體顯然不以量子方式運(yùn)行。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)將蛋白質(zhì)或微小病毒顆粒這樣大的物體置于疊加態(tài)，有助于解答“量子與經(jīng)典之間是否存在過渡”這一近乎哲學(xué)性的問題。而研究人員“證明至少對(duì)于這種規(guī)模的團(tuán)簇，量子力學(xué)依然有效”。

英國布里斯托大學(xué)量子物理學(xué)家Giulia Rubino指出，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)具有實(shí)際意義。量子計(jì)算機(jī)最終需要讓數(shù)百萬個(gè)對(duì)象處于量子態(tài)才能執(zhí)行有效計(jì)算。若自然界的系統(tǒng)在達(dá)到特定閾值時(shí)崩潰，且該閾值又小于構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)所需的規(guī)模，“那將是有問題的”。

物理學(xué)家長期以來一直在爭論經(jīng)典的日常世界是如何從底層的量子世界中產(chǎn)生的。論文作者、維也納大學(xué)物理學(xué)家Sebastian Pedalino說，量子理論“從未表明它在超過特定質(zhì)量或尺寸時(shí)就會(huì)失效”。

1935年，奧地利物理學(xué)家薛定諤通過著名的基于貓的思想實(shí)驗(yàn)，揭示了量子力學(xué)常見解釋的荒謬之處。他設(shè)想將一只貓、一瓶毒藥和一個(gè)放射源放在一個(gè)密封的盒子里。若放射性原子發(fā)生衰變，毒液就會(huì)釋放出來。當(dāng)盒子與外界隔絕時(shí)，原子處于衰變和未衰變的疊加態(tài)；在被觀察前，這只貓?zhí)幱诩人烙只畹寞B加態(tài)。

現(xiàn)實(shí)世界中，物體最終會(huì)因復(fù)雜性增加或相互作用增強(qiáng)而無法維持疊加態(tài)，這一現(xiàn)象被稱為退相干。但量子力學(xué)也存在坍縮理論，認(rèn)為在達(dá)到特定臨界點(diǎn)后，即使處于隔離狀態(tài)，一個(gè)系統(tǒng)也必然會(huì)退化為經(jīng)典態(tài)。在2025年《自然》的一項(xiàng)調(diào)查中，4%的研究人員將這些理論選為他們最喜歡的量子力學(xué)解釋。Rubino說：“回答此問題的唯一途徑是擴(kuò)大量子實(shí)驗(yàn)的規(guī)模?！?/p>

為此，Pedalino團(tuán)隊(duì)在超高真空中以77K（-196℃）的溫度產(chǎn)生了一束原子團(tuán)。他們使原子團(tuán)穿過由3個(gè)激光光柵組成的干涉儀。首層光柵引導(dǎo)原子團(tuán)穿過狹縫，使其擴(kuò)散出來并以波的形式同步傳播；隨后，原子團(tuán)通過第二層光柵，使波產(chǎn)生獨(dú)特干涉圖案；最終，這些圖案通過末層光柵實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

觀測(cè)此類宏觀量子效應(yīng)極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)橛坞x氣體分子、光線或電場都可能擾亂精細(xì)的量子態(tài)，而光柵的微小錯(cuò)位或細(xì)微外力都可能使精密的干涉圖樣變得模糊。Pedalino表示，團(tuán)隊(duì)耗時(shí)兩年才成功捕捉到這一信號(hào)。在此之前，他在地下實(shí)驗(yàn)室花費(fèi)“數(shù)千小時(shí)”觀察了“一條平直的線和噪點(diǎn)”。

該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的疊加態(tài)規(guī)模是此前紀(jì)錄的10倍。這是依據(jù)“宏觀性”指標(biāo)得出的結(jié)論，該指標(biāo)綜合考量了質(zhì)量、量子態(tài)持續(xù)時(shí)間及狀態(tài)分離程度。但Rubino指出，這并不意味著其疊加質(zhì)量創(chuàng)下歷史之最。2023年，另一團(tuán)隊(duì)曾將16微克的振動(dòng)晶體置于疊加態(tài)，但距離只有20億分之一納米。

論文作者、維也納大學(xué)的Stefan Gerlich說，進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模并不容易。質(zhì)量更大的粒子具有更短的波長，使得將量子預(yù)測(cè)與經(jīng)典預(yù)測(cè)區(qū)分開來變得更加困難。不過，Gerlich說，15年前，他也曾認(rèn)為今天的實(shí)驗(yàn)是“不可能的”。相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09917-9

《中國科學(xué)報(bào)》 (2026-01-23 第2版 國際)

（原標(biāo)題為《物理學(xué)家將7000個(gè)原子疊加在一起 迄今最大“薛定諤的貓”來了》）