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星期五, 一月 05, 2007

美国科学家实现6个离子的“薛定谔猫”态

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根据量子力学理论,物质在微观尺度上存在两种完全相反状态并存的奇特状况,这被称为有效的相干叠加态。由大量微观粒子组成的宏观世界是否也遵循量子叠加原理?奥地利物理学家薛定谔为此在1935年提出著名的“薛定谔猫”佯谬。

“薛定谔猫”佯谬假设了这样一种情况:将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率,如果镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶 子,猫就会死;如果镭不发生衰变,猫就存活。根据量子力学理论,由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这 只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。

显然,既死又活的猫是荒谬的。薛定谔想要借此阐述的物理问题是:宏观世界是否也遵从适用于微观尺度的量子叠加原理。“薛定谔猫”佯谬巧妙地把微观放射源和 宏观的猫联系起来,旨在否定宏观世界存在量子叠加态。然而随着量子力学的发展,科学家已先后通过各种方案获得了宏观量子叠加态。此前,科学家最多使4个离 子或5个光子达到“薛定谔猫”态。但如何使更多粒子构成的系统达到这种状态并保存更长时间,已成为实验物理学的一大挑战。

美国国家标准和技术研究所的莱布弗里特等人在最新一期《自然》杂志上称,他们已实现拥有粒子较多而且持续时间最长的“薛定谔猫”态。实验中,研究人员将铍 离子每隔若干微米“固定”在电磁场阱中,然后用激光使铍离子冷却到接近绝对零度,并分三步操纵这些离子的运动。为了让尽可能多的粒子在尽可能长的时间里实 现“薛定谔猫”态,研究人员一方面提高激光的冷却效率,另一方面使电磁场阱尽可能多地吸收离子振动发出的热量。最终,他们使6个铍离子在50微秒内同时顺 时针自旋和逆时针自旋,实现了两种相反量子态的等量叠加纠缠,也就是“薛定谔猫”态。

奥地利因斯布鲁克大学的研究人员也在同期《自然》杂志上报告说,他们在8个离子的系统中实现了“薛定谔猫”态,但维持时间稍短。

科学家称,“薛定谔猫”态不仅具有理论研究意义,也有实际应用的潜力。比如,多粒子的“薛定谔猫”态系统可以作为未来高容错量子计算机的核心部件,也可以用来制造极其灵敏的传感器以及原子钟、干涉仪等精密测量装备。

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