研究人員完成了一項超出傳統(tǒng)預(yù)期的量子創(chuàng)舉——他們不是從超冷基態(tài)，而是從溫暖、熱激發(fā)基態(tài)創(chuàng)造出薛定諤貓態(tài)。該團(tuán)隊利用超導(dǎo)量子比特裝置證明了量子疊加態(tài)即使在較高溫度下也能存在，從而推翻了長期以來認(rèn)為熱量會破壞量子效應(yīng)的信念。這一突破不僅證實(shí)了薛定諤最初的“熱貓”概念，還為更實(shí)用、更易于獲取的量子技術(shù)鋪平了道路。
薛定諤的貓和熱量子態(tài)
薛定諤貓態(tài)是量子物理學(xué)的一個顯著特征，量子系統(tǒng)可以同時存在于兩種相反的狀態(tài)。這一概念來自埃爾溫·薛定諤著名的思想實(shí)驗(yàn)，其中一只貓被想象成同時活著和死去。在現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)中，人們觀察到了類似的量子疊加態(tài)——不是在真正的貓身上，而是在原子和分子的位置，或電磁諧振器的振動等事物中。
到目前為止，這類疊加態(tài)通常是通過先將量子系統(tǒng)冷卻到基態(tài)（最低的能級）來創(chuàng)建的。但在一項新的突破中，由 Gerhard Kirchmair 和 Oriol Romero-Isart 領(lǐng)導(dǎo)的研究人員證明，即使系統(tǒng)一開始處于熱激發(fā)狀態(tài)，即“熱”，也有可能創(chuàng)建薛定諤貓態(tài)。
“薛定諤在他的思想實(shí)驗(yàn)中還假設(shè)了一只活貓，也就是‘熱貓’，”因斯布魯克大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理系和奧地利科學(xué)院 (?AW) 量子光學(xué)和量子信息研究所 (IQOQI) 的 Gerhard Kirchmair 說道?！拔覀兿胫廊绻覀儾粡摹洹鶓B(tài)開始，這些量子效應(yīng)是否也能產(chǎn)生，”Kirchmair 說。
在埃爾溫·薛定諤的思想實(shí)驗(yàn)中，貓既是活著的，又是死去的。圖片來源：因斯布魯克大學(xué)/Harald Ritsch
在更高溫度下創(chuàng)造量子疊加
在今天（4 月 4 日）發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的研究中，該團(tuán)隊使用微波諧振器內(nèi)的 transmon 量子比特來創(chuàng)建貓態(tài)。值得注意的是，他們在高達(dá) 1.8 開爾文的溫度下成功了，這比諧振器通常的環(huán)境溫度高出約 60 倍。
“我們的結(jié)果表明，有可能生成具有不同量子特性的高度混合量子態(tài)，”執(zhí)行研究報告中的實(shí)驗(yàn)的 Ian Yang 解釋道。
調(diào)整協(xié)議以產(chǎn)生熱貓狀態(tài)
研究人員使用了兩種特殊協(xié)議來創(chuàng)建熱薛定諤貓態(tài)。這些協(xié)議以前用于從系統(tǒng)基態(tài)開始產(chǎn)生貓態(tài)?！笆聦?shí)證明，經(jīng)過調(diào)整的協(xié)議在更高溫度下也能發(fā)揮作用，產(chǎn)生明顯的量子干涉，”O(jiān)riol Romero-Isart 說，他最近擔(dān)任因斯布魯克大學(xué)理論物理學(xué)教授和因斯布魯克 IQOQI 研究小組負(fù)責(zé)人，自 2024 年起擔(dān)任巴塞羅那光子科學(xué)研究所 ICFO 主任。
“這為創(chuàng)造和使用量子疊加開辟了新的機(jī)會，例如在納米機(jī)械振蕩器中，實(shí)現(xiàn)基態(tài)在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性?！?/p>
研究人員生成了具有不同量子特性的高度混合量子態(tài)。圖片來源：IQQOI Innsbruck
超出對溫度和量子干涉的預(yù)期
“當(dāng)我們第一次告訴同事我們的研究結(jié)果時，他們中的許多人都感到很驚訝，因?yàn)槲覀兺ǔＵJ(rèn)為溫度會破壞量子效應(yīng)，”幫助發(fā)展實(shí)驗(yàn)理論理解的托馬斯·阿格瑞尼烏斯補(bǔ)充道?！拔覀兊臏y量證實(shí)，即使在高溫下，量子干涉也能持續(xù)存在。”
對未來量子技術(shù)的影響
這些研究成果可能有利于量子技術(shù)的發(fā)展。“我們的工作表明，即使在較不理想、較溫暖的環(huán)境中，也有可能觀察和利用量子現(xiàn)象，”Gerhard Kirchmair 強(qiáng)調(diào)道?！叭绻覀兡軌蛟谙到y(tǒng)中創(chuàng)建必要的相互作用，溫度最終就不重要了?！?/p>
編譯自/ScitechDaily
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