科學家成功創造「熱薛丁格貓態」 突破量子疊加極限

量子疊加原理讓我們能將系統製備在兩個任意狀態的疊加態中，最經典的例子就是兩個相干態的疊加。雖然這類疊加態通常被稱為薛丁格貓態，但在薛丁格最初的假想實驗中，那隻貓——一個處於體溫且非平衡狀態的系統——其實是被製備在兩個由古典漲落主導的混合態疊加中。如今，因斯布魯克大學的物理學家們成功在超導微波諧振腔中創造出熱薛丁格貓態。

楊博士等人成功製備出具有明顯量子特性的高度混合量子態。（圖片來源：因斯布魯克大學）

薛丁格貓態是量子物理中一個令人著迷的現象，它讓量子物體能同時存在於兩種不同狀態。在薛丁格的假想實驗中，那隻貓既是活的又是死的。而在實際實驗中，這種同時性已在原子、分子的位置以及電磁諧振器的振盪中被觀察到。

過去科學家都是先將量子物體冷卻到最低能量的基態，才能創造出類似薛丁格假想實驗的狀態。但在最新研究中，因斯布魯克大學的Gerhard Kirchmair博士與其團隊證明，其實可以從熱激發態創造出量子疊加態。

「薛丁格在假想實驗中設想的是一隻活著的、也就是『熱的』貓，」該研究通訊作者Kirchmair博士表示，「我們想知道，如果不從『冷的』基態出發，是否也能產生這些量子效應。」

研究團隊使用微波諧振腔中的transmon量子位元來產生薛丁格貓態。他們成功在1.8K的高溫下創造出量子疊加態，這個溫度比諧振腔環境溫度高出六十倍。

「我們的結果顯示，製備具有明顯量子特性的高度混合量子態是可行的，」研究第一作者楊博士指出。科學家們運用兩種特殊協議來創造熱薛丁格貓態，這些協議原本是用來從系統基態產生貓態的。

「結果發現，調整後的協議在高溫下同樣有效，能產生明顯的量子干涉，」共同作者Oriol Romero-Isart教授解釋，「這為量子疊加態的創造與應用開闢了新途徑，例如在難以達到基態的奈米機械振盪器中。」

共同作者Thomas Agrenius透露：「當我們首次向同事們展示研究成果時，許多人都感到驚訝，因為溫度通常被認為是會破壞量子效應的因素。但我們的測量證實，量子干涉即使在高溫下也能持續存在。」

這項發現將有助於量子技術的發展。「我們的工作表明，即使在較不理想、較溫暖的環境中，也能觀察並利用量子現象，」Kirchmair博士強調，「只要能在系統中創造必要的互動作用，溫度最終就不是問題。」

相關研究成果已發表於《科學進展》期刊。

參考文獻：
楊博士等人，《熱薛丁格貓態》，《科學進展》第11卷第14期；doi: 10.1126/sciadv.adr4492