在量子物理领域，中国科学家打破了新纪录——
中国科学技术大学团队成功让薛定谔的猫存活了整整23分钟！
什么概念？
过去，人们用薛定谔的猫来解释原子的量子叠加态。由于环境非常不稳定，这种状态往往持续很短暂——几秒或几毫秒。
但现在这段时间却有了质的飞跃。中国团队成功使这种量子叠加态持续1400秒。
这项研究由中国科学技术大学专科学校院长陆正田教授和合肥国家实验室研究员夏天牵头。研究结果发表在《自然光子学》杂志上。
一旦证明这种长寿命薛定谔猫态的制备是可行的，将对量子物理领域未来的研究具有重要意义。
例如，它可以用于检测和研究磁性，探索物理学中新奇的效应，甚至可以用于非常稳定的量子计算机存储器。
薛定谔的猫多活了23分钟
首先我们来简单了解一下物理学四神兽之一——薛定谔的猫。
“薛定谔的猫”是奥地利物理学家埃尔温·薛定谔于1935年提出的著名思想实验。
让我们回顾一下这个实验：
想象一个封闭的盒子，里面有一只猫、一个装有毒气的瓶子和一个放射性原子。如果放射性原子衰变，就会触发一种机制，打破瓶子，释放出有毒气体，猫就会死亡。如果原子不衰变，猫就活了。
在量子力学中，放射性原子在观测前同时处于衰变和未衰变状态的叠加。这意味着，在打开盒子观察之前，猫既死又活，处于生与死的叠加状态。
当我们打开盒子观察猫的状态时，量子叠加态“崩溃”，猫的状态从既死又活转变为绝对死或活。这个过程也称为波函数塌缩。
这种系统同时处于两种或两种以上截然相反状态的量子叠加态就是薛定谔猫态。
在实验中实现并维持薛定谔猫状态是很困难的，因为它需要极高的隔离度，以防止温度和磁场等环境干扰导致它们在几秒或几毫秒内崩溃成单一状态。
研究这篇文章的科学家历史上一直保持薛定谔猫态长期稳定，相干时间为23分钟。
（相干时间是指量子系统在退相干之前可以保持其量子特性的时间，退相干是量子系统逐渐失去其量子特性的过程。）
在这个实验中，薛定谔猫态是通过非线性自旋旋转实现的，其中原子自旋同时指向两个完全相反的方向。
具体来说，研究团队使用波长为1036nm、功率为16W（束腰20μm）的线偏振晶格激光束，在魔幻波长处捕获了大约10⁴173Yb原子。原子首先被预冷并加载到与腔室相邻的磁光陷阱中，然后通过移动的光学偶极子陷阱沿x轴方向传输到测量室。
实验装置采用四层磁屏蔽保护，内置cos(θ)线圈在z方向产生稳定均匀的1.24μT磁场，最大限度地减少外部磁场干扰。
在实施方面，团队采取了以下三步创新计划：
使用 σ+ 偏振泵浦激光脉冲将原子初始化为 |F、F 拉伸状态，该脉冲与 1S0(F=5/2)→1P1(F'=5/2) 能级跃迁共振。
控制具有 σ⁺ 偏振非共振的激光束，沿 x 轴传播，通过调制非线性相互作用（张量 AC 斯塔克位移）来诱导自旋旋转。
|F, F 态的归一化布居是通过光学晶格测量的，该光学晶格使用与 1S₀(F=5/2)→3P₁(F'=7/2) 能级跃迁共振的 σ⁺ 偏振探测光束。引入微分张量光学位移以进行状态选择性测量。
通过精确控制激光的频率和强度（80 mW/cm²），实验中测得的拉比频率为：
这一系列的精密操作成功制备了 173Yb 原子的薛定谔猫态，它是自旋量子数为 5/2 的核自旋投影态 m=+5/2 和 m=−5/2 的量子叠加。
至关重要的是，该团队发现这种猫态受到无退相干子空间的保护，并且不受光学晶格产生的不均匀张量光学位移的影响。这是因为光学晶格的哈密顿量Hₜ与猫态密度矩阵ρcat和Hₒ均可交换，从而避免了光场引起的退相干。
这使得猫态能够实现1.4(1)×10³秒的超长相干时间，约为23分钟，远远超过传统相干自旋态(CSS)在相同的条件。
值得注意的是，当前实验中真空阱的寿命为71（1）秒。研究人员指出，通过改善真空条件，猫态的寿命有望进一步延长，以匹配其相干时间，并且还可以利用自旋回波技术进一步减少退相干效应。
测量灵敏度接近海森堡极限
为了表征猫状态对 1.24-μT 静磁场的敏感性，研究人员进行了拉姆齐干扰测量。
通过两个间隔为τ的(π/2)猫脉冲序列，在160秒的测量时间内，状态布居保持在0.90(3)，干涉条纹对比度达到0.88(3)。
最终实现了0.12(1)nT的磁场测量灵敏度，比标准量子极限0.22nT高出约1.8倍，接近0.10nT的海森堡极限（HL）。
相比之下，相同条件下的相干自旋态只能达到0.70(10)nT的灵敏度，比标准量子极限0.22nT差约3.2倍。
这项工作的意义体现在几个方面。
长相干时间的高自旋系统在量子技术领域具有广阔的应用前景，可用于开发量子存储器并为量子计算中的纠错提供必要的冗余。
特别是，这项工作为寻找自旋传感器开辟了新的可能性。传统上，基态 J=0 且核自旋 I=1/2 的原子（例如 3He、129Xe、171Yb 和 199Hg）被认为是理想的自旋传感器候选者。
这项研究表明高自旋同位素也可以发挥这一作用。例如， 171Yb/173Yb 等同位素对为双物种冷原子共磁强计的发展提供了新的可能性。
更重要的是，这种猫状态表现出接近海森堡极限的磁场测量灵敏度。它不仅可以用于高精度磁场测量，还可以应用于寻找永久电偶极矩、测试洛伦兹不变性、探索超越标准的模型新物理现象，开辟了新的研究方向量子精密测量领域。
中国科学技术大学少年班主任带领
这项研究来自中国科学技术大学的夏天、陆正田、邹长岭等人的合作。
通讯作者之一陆正田，现任中国科学技术大学物理学院特聘讲座教授、青少年班主任。
研究方向包括测试时空和物质与反物质之间的对称性，以及寻找标准模型之外的新物理；开发超灵敏同位素痕量检测新技术，并开发在地球和环境科学中的应用；用于原子核、原子和分子的精密测量。
另一位通讯作者夏天，目前是合肥国家实验室研究员。毕业于清华大学本科，后赴普林斯顿大学攻读博士学位。
研究方向包括通过测量原子的固有电偶极矩来检测基本相互作用中对称性的破缺，从而发现超出标准模型的新物理；以原子物理为平台的精密测量；以中性原子为平台的量子物理信息；利用光泵浦方法实现原子自旋的磁极化。
对于这一成果，研究人员表示，这种长寿命薛定谔猫态的制备将为原子磁力计、量子信息纠错以及新物理学的探索开辟新途径。
参考链接：
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本文来自微信公众号“量子比特”，作者：白小脚西晓峰，36氪经授权发布。
