互动科普

物理学发展趋势：让薛定谔的猫苏醒过来

Philip Yarn

最新的实验已开始显示量子力学的神奇世界如何逐步让位于人们熟悉的日常生活经历。

据报导埃尔文·薛定谔曾向他的一位同事抱怨说：“我感到遗憾的是我始终同量子力学扯上了关系。”这位奥地利物理学家说这番话业不是为他那只现已人所共知的猫的命运感到伤心（他在1935年象征性地把猫关在一个装有一瓶毒药的盒子里），而是对量子力学—描述电子、原子、光子和显微镜下看不到的其它物质的科学—的奇异含义表示感概。薛定谔试图用他的猫说明下面这样一个问题。根据量子力学，粒子从一点跃迁到另一点，同时占据几个位置，并且似乎以快于光的速度进行通信。那么，为什么猫就这个问题而论，也可以是垒球或行星或人等等—不能做同样的事情?毕竟它们都是由原子构成的。实际上，它们服从的是由伊萨克·牛顿所定量阐述的可预测的经典定律。量子世界在什么时候让位于日常生活中的物理规律呢?麻省学院的David Pritchard笑着说：“这正是价值6万4千美元的问题之一。”

    Rritchard和其它实验专家已开始探究量子领域和经典领域之间的边界。在过去一年里，物理学家们用微光束来冷却粒子或者让粒子穿过一些特制的空腔，由此创造了若干小尺度的“薛定谔的猫”。这些“猫”实际上是同时被置于两个不同位置上的单个电子及原子，以及

同时由两种不同方式被激发而产生振荡的电磁场。它们不仅表明神奇莫测的东西如何轻而易举地让位于人们熟悉的事物，而且戏剧性地阐明了量子计算面临的一个障碍。（量子计算是一种基本上仍属推测性的技术，某些研究人员希望它能够解决现在仍然难于解决的问题。）

    量子到经典的转变之谜源于量子粒子的一个关键性质，它们具有波动性能够象波一样传播（反过来也是正确的，光可以以粒子—称为光子—的形式四处传播。）这样它们就可以用薛定谔在1926年导出的波函数进行描述。波函数有点象一个量子社会保障号，它包括了与一个粒子有关的所有必须知道的信息，把该粒子的所有可能位置及运动情况全都概括在这个函数中。

从表面上看，波函数表明一个粒子同时处于所有这些可能状态中，但是，进行一次观测始终只能得知这些状态中的一个状态，在一次测量后如何会得出（乃至为什么会得出）某一特定的结果，是薛定谔的假想实验之关键所在。除了猫和毒药以外，还有一个放射性元素的原子进入了那个盒子中。在一小时内，此原子有均等机会发生衰变，此衰变将使一个锤掉下，打破那个装有可毒死猫的毒药的瓶子。

测量问题

    根据量子力学，未被观察的原子始终处于一种正在衰变又未衰变的有趣状态中。这种状态称为迭加态，量子物体非常容易进入这种状态，电子可以同时占据几个能级（即轨道），而单个的光子在穿过一个分束镜后，似乎同时沿两条路径行进。处在一种相当确定的迭加态中的粒子被称为相干的。

    但当量子物体同某一宏观物体（如猫）发生联系时，会出现什么情况呢？如果把量子逻辑加以延伸，那么就应当说猫也始终处于状态的相干迭加中，即同时既是死的又是活的状态。很明显，这完全是谬论。我们的感觉告诉我们，猫不是死的就是活的，不可能既死又活，也不可能不死不活。简单地说，猫实际上是一种测量装置，同盖革计数器或电压表没有什么区别。这样，问题就在于，测量装置是否应当进入与它们所要检测的粒子相同的不确定状态?

    量子力学的奠基者之一、丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（薛定谔开头那番表示后侮的感慨就是对他而言的）认为，这个问题的答案是，测量必须用经典装置来进行，玻尔对量子力学的解释（现在通称为量子力学的标准解释或哥本哈根解释）假设宏观的检测器永远不会达到任何一种模棱两可的迭加态，但他没有说明究竟为什么不会。洛斯阿拉莫斯国家实验室的Wojciech Zurek说：“他企图硬性规定何为‘经典的’。测量就是实在，无理由可说。”玻尔也意识到经典领域和量子领域之间的分界可能随实验的安排而变动，此外，尺度不一定是最关紧要的。在比原子大得多的尺度上，迭加态也可能持续下去。

    1995年11月，Pritchard和他在麻省理工学院的同事们使测量模糊化变得更明确了。他们让一束狭窄的钠原子流穿过一台千涉仪。干涉仪使粒子同时沿两条路径行进，然后两条路径复合。此时每个原子（其行为类似于波）都与自身“干涉”，在观察屏上显示出一幅由明亮的和暗色的条纹组成的图案（与敬光穿过两条狭缝的实验中所观测到的情况一样）。量子力学的标准表述认为，原子同时沿两条路径行进，因此原子从发源地到屏幕的整个运动过程是一个原子在两条路径上运动的迭加。

    然后这个研究小组用一束激光照射其中的一条路径。这一过程使干涉条纹消失，因为从该原子上散射的一个激光光子将指示出原子走的哪条路径（量子法则禁止“哪条路径”的信息和干涉现象同时存在）。

    从表面上看，这一散射似乎构成了一次测量，从而破坏了相干性。但是，该研究小组证明，只要把两条路径的间隔变为大约相当于激光光子波长的四分之一整数倍，相干性就可以“恢复”即干涉图案又出现了。在这样的距离上，不可能判定光子是从哪条路径散射的，Pritchard解释说：“相干性业未真正失去，原子开始同一个更大的系统缠结在一起了。”这就是说，原子的量子态同测量装置耦合了（在此例中侧量装置就是光子）。

    如同先前的许多实验一样，Pritchard的实验—它使已故的Richard Feynxnan许多年前提出的一个实验方案得到实现—并没有解决量子力学包藏的谜，反而使这些谜更加深不可测，它证明测量装置可以有一种模棱两可的定义。那么，在薛定谔的猫这个例子中，“测量”是什么呢?是把盖子打开吗?抑或是光线到达眼睛业被大脑所处理呢?还是猫皮上的静电放电呢?

    最近进行的许多关于薛定谔的猫的实验已开始探讨这些问题，并非所有的物理学家都认为他们是在研究真正的量子猫一—他们也常使用“小猫”（mitten）这个词，这同他们想要扩大影响的程度有关，无论如何，这些尝试的确表明，量子一经典的切换—有时称为波函数的坍缩或状态矢量的化简—已终于开始走出了假想实验的圈子而进入现实世界的研究领域中。

小猫在这里

    199年，罗彻斯特大学的Carlos Stroud 和John Yeazell正在对所谓里德伯原子进行实验，（里德伯原子得名于瑞典分光学家约翰尼斯·里德伯，他发现了电子与原子核之间的结合能关系。）通常，电子在距原子不到一纳米〔毫微米）的轨道上绕核运行，但在里德伯原子中，外层电子的轨道膨胀了几千倍。这一膨胀可以用短促的激光脉冲来实现，它实际上是使电子同时进入许多外层轨道。在物理上，能级的迭加表现为在距核约半微米的地方（这在原子尺度上是一个非常巨大的距离）绕核运转的一个“波包”。此波包表示被激发电子的位置的概率。

在使钾原子膨胀时，罗彻斯特大学的研究人员注意到波包在绕轨道转了几圈后便散开，但后来又再次出现，不过这时却变成了在它的大轨道相对两侧上运行的两个较小波包。去年9月，Stroud和他的同事Michael W.Noel一起证明这两个波包构成了一个“薛定谔的猫”的状态—单个电子同时处于两个不同的位置上。    

不过，一个电子实质上只是一点。更接近宏观领域的是离子（即带电的原子），它由许多基本粒子构成。1996年5月，科罗拉多州博尔德的国家标准与技术研究所（NIST）的Chris Morrroe,David J.Wineland及其同事用一个被离子作成了薛定谔的猫。他们首先将这个离子捕获在电磁场中，然后用一束激光照射它，使它的热颤抖停下来，从而把它冷却到一毫开氏度（千分之一度）以下的温度。接着研究人员用两束频率稍有不同的激光照射这个离子以操纵它的自旋。（自旋是粒子固有的一种量子特性，其方向为向上或向下。）利用这些激光束，研究人员使这个离子取自旋向上和自旋向下这两种状态的迭加态。

    关于准备工作就讲这么多，下面要讲的是更加宏观的内容。NAT研究小组通过操纵这两束激光的调谐而得以使自旋向上的状态在空间来回振荡，同时使自旋向下的状态与前者交替地来回振荡。如果给这个离子拍一幅快照，就会发现它在一个空间位置上处于自旋向上的状态，而同时又在第二个空间位置上处于自旋向下的状态。这两个状态相隔80纳米远（1纳米为1毫微米）—在原子尺度上是一个巨大的距离。Mo nroe说：“我们使一个离子同时占据两个地方，这两个地方的距离与原始离子的尺寸相比是非常之大的。”

去年12月，巴黎高等师范学校（ENS）的Michael Brune ,Serge Haroche, Jean一Michael  Raimand及其同事们把这项研究又向前推进了步。Haroche解释说：“我们得以监视量子特征的消失。”为了观察迭加态是如何坍缩成某一状态的，他们实际上是把一只量子鼠放在薛定谔的猫的前面晃来晃去，以检查该猫究竟是死还是活。

    在这个实验中，被限制的电磁场（即空腔中的一些微波光子）就充当薛定谔的猫。研究人员将一个里德伯原子送入这个空腔中，该原子已经被激发到两个不同能态的迭加态上。这个里德伯原子把它们迭加态传递给固有电磁场，使它进入了两个不同的相位状态（即振动态）的迭加态中，由于有两个相位，该电磁场象薛定谔的猫，处于其既活又死的奇异的迭加态中。

    ENS的研究小组把另一个里德伯原子射入空腔中充当老鼠的角色。此时电磁场就把关于它的迭加相位的信息传送给这个原子。这些物理学家把第二个原子同第一个原子加以比较，以获得关于电磁场的迭加信息。

    然而，更令人感兴趣的是该小组能够控制关键的变量业确定相干状态如何变成经典状态通过调节把两个原子送入空腔中的间隔时间（可在34微秒到254微秒之间变化），他们能够观察迭加态的坍缩如何随时间而变。此外，通过加强电磁场（把更多的光子放进空腔中），他们能够观察坍缩如何随场强而变。Haroche说：“这是我们第一次能够观察从量子行为到经典行为的渐进演变过程。”Zurek热情地说：“这是一次激动人心的实验。看到一只薛定谔的猫始终是令人惊异不已的，然而能够看到这只猫不得不在‘生’与‘死’之间作一抉择，能够第一次观察到量子奇异性趋于消失，却是真正的惊人之举”。此外ENS研究小组的结果同大多数理论家的专业预测是符合的。Zurek指出：’这一点告诉我，我们写下来的简单方程看来是很近似的。”

失去相干性

    Zurek是一个名为“退相干”（decoherence）的理论的主要倡导者。该理论基于这样一种设想，即环境会破坏量子相干性。Zurek在八十年代制定出这个理论（虽然这个理论的某些方面可以追溯到玻尔和其它的量子力学奠基者）。并且从那以来一直在同各位合作者一起研究它的推论。

    起失稳作用的环境实际上是指能够受量子系统的状态影响—因而也就无意地“测量”了量子系统的状态—的任何东西：单个光子，分子的一次振动，空气粒子，等等。在这个理论中，环境不仅仅是“噪声”，它实际上像一台监视器，不断监视着量子系统。

ENS小组的实验使这一效应变得清楚明白。Zurek指出“由于系统泄漏了信息，因而发生退相干。“某些光子能够从空腔牛逃逸出来，从而把其余光子的状态泄漏给外界。Zurek说：“因此，在某种意义上，薛定谔的猫正在让小猫爬出来。”

    让环境来确定量子一经典边界的好处在于，它消除了某些作者们宣传的量子理论的若干神秘方面。这种理论排除了特别需要的意识或某些新的物理力之类的东西来实现经典结果。它也可以解释为什么尺寸本身并不是退相干的原因。大的系统（例如现实世界中的猫）水远不会进入迭加态，因为组成猫的所有粒子影响到大量的环境参数，以至根本不可能出现相干性。对于一个摆锤重一克的摆，在作出若干合理假设的条件下，此系统的波函数中的干涉项将在1纳秒（1毫微秒）的时间内降至其初始值的2.7-1000 ——量子奇异性实际上是一瞬间就消失了。Zurek的结论是，“源自玻尔的旧的直观认识是有价值的”，不过现在有了一种物理机制来充实他的指示。

    然而，在某些人看来，Zurek的退相干模型是有缺陷的。伊利诺斯大学的Anthony. d. Leggett评论说：“依我之见，退相干不会选择某一特定结果。而在现实生活中，你得到的总是确定的宏观结果。”

    Zurek争辩说，事实上，环境的确会支配最终将出现在现实世界中的各种量子可能性。他把这一过程称为环境诱发的超选择（ environment induced superselection，即eni一选择）。这一过程淘汰掉那些不现实的量子状态，只保留能够经受住环境检查，从而可能成为经典事件的量子状态。Zurek指出：“这一选择是由环境完成的，所以你将无法预测哪种允许的可能性最终将变为现实。”

    这一解释似乎不太令人满意。NIST的Monroe说，Zurek的方法“非常吸引人。它使你能够进行计算，观察干涉条纹如何随着迭加的变大而消失。但是这一方法仍然有些古怪的东西。Zurak把所有问题都扫到一块地毯下归纳起来，但却说不清楚是什么地毯。”问题在于，退相干—事实上是任何一种关于量子一经典转变的理论—必定是特定配置出来的。量子迭加必定通过某种方式产生出符合我们对现实世界的日常观念的结果。这样就导致了一种循环论证的逻辑。我们在日常宏观世界中看到的结果之所以从量子世界中产生，是因为这些结果正是我们看到的结果，几位杰出的宇宙学家提出了一种十分勉强的解决方案，即看起来相当笨拙的所谓“多世界”解释。这种理论认为波函数所规定的所有各种可能性事实上都会出现。它们持续存在于一些并列的宇宙中。然而，这个设想是无法验证的，因为并列的宇宙相互间永远不可能到达。

根本的改革

    Leggett说，退相干和多世界等设想存在的种种问题促使相当一部分少数派科学家支持一种被称为“GR W理论”的观点，这一观点是的里雅斯特大学的Gian Carlo Ghirardi和Tullio Weher以及帕维亚大学的Alberto Rimini在1986年提出来的。

    GRW理论认为，一个粒子的波函数随时间的推移而扩展开来。但是扩展着的波“命中”背景中的一个深奥莫测的“某物’的概率很小。此时波函数就突然变成定域态了。单个粒子的命中概率极小，大概每一亿年才能命中一次。然而，作为宏观物体的猫大约有1027个粒子。这样多的粒子中至少有一个发生命中的机会是很大的—每100皮秒至少有一个粒子命中（1皮秒为1微微秒）。猫事实上永远不可能有机会进入任何一种迭加态。因此退相干也就不必要了：猫的宏观状态产生于自发的微观坍缩。

    这一模型存在若干问题。其中一个问题是，触发命中的定时因子完全是任意的;该理论的倡导者只是选择一个能产生合理结果的因子。然而，更重要的问题则是触发源。Leggett解释说：“实质上是存在一种普遍存在的背景噪声，它本身不能用量子力学加以解释。”此噪声不只是环境中的随机过程；它还有一种明显的数学特征。牛津大学的Roger Penrose在他的“思维的影子”（Shadows of the Mind）一书中认为，触发源可能是重力，这样就可以巧妙地避开某些技术上的障碍。

    其它某些更激进的方案为数也不少。最有名的方案是由已故的David Bohm提出来的，他设想量子力学的基础在于“隐变量”。这些变量描述的是通过某种方式使波函数变为真实的力的特性，它们将使迭加的概念不再需要，同时确定性的现实重新站稳脚跟。同多世界的设想一样，Bohm的理论也是无法验证的。根据定义，隐变量将始终保持“隐身”状态。

    在面临诸如此类选择的情况下、许多现实的物理学家表示支持退相干理论，这是因为，尽管可以证明它不能完全解决测量问题，但它要求人们思想上转过的弯子却是最少的。Zurek说：“退相干的确回答了这些问题的物理方面”，但却没有触及抽象的方面，例如有意识的大脑是如何感知一个结果的。Zurek沉思说：“还不清楚我们是否有权利期望获得所有问题的答案，至少在我们发展了对大脑和精神的相互关系的认识之前是不清楚的。”

    更大的迭加可能有助于研究人员着手剔除某些理论一一例如，GRW和退相干预测迭加发生在不同尺度上。ENS的Harache说，“我们想要做的就是研究更复杂的系统，涉及更多更多的粒子，”而不是以前实验中那样只捕获10个粒子。Monroe则声称，KIST未来的实验特别适合于作为“退相干监视器，我们可以模拟噪声以有意引起迭加态坍缩。”Leggett建议使用由超导环制成的传感器〔称为SQUID，即“超导量子干涉器件”）。研究人员可以使强电流同时沿相反方向绕此环流动。

    然而，还有很长一段路要走。Leggett说：“即使在最激动人心的实验中、最多也只显示了或许5千个粒子的迭加态。这离表征宏观世界的1023个粒子还差得很远。”不过他仍然对此表示积极支持。“我的态度是，为了确定量子力学是否仍然在起作用，必须尝试进行实验。”

    尺寸不断缩小的晶体管-一现在其线宽已小于1微米—或许也会提供一些关于量子一经典转换的深入认识。在几年内，晶体管的尺寸可能达到数十纳米的范围，这一范围有时被称为介观尺度。Dresel大学的Da Hsuan Feng推侧，量子力学或许真的不会引导到经典力学;相反，两种力学描述可能均源自介于两者之间的物理领域中的某些尚未被发现的观念。

量子计算

    尽管实验尚不能圆满解决测量问题;它们仍可为一个非常热门的领域—量子计算—作出许多贡献。经典计算机是用在0与1之间切换的晶体管构成的。而在量子计算机中，“晶体一管，始终处于0与1的一种迭加态（称为一个量子位，或“qubit”）。计算是通过迭加态之间的相互作用进行的，直到进行了一次测量。然后迭加态坍缩，计算机给出最终的结果。从理论上说，由于量子计算机能够同时处理许多可能的答案，因此它可以在数秒钟内就完成经典计算机需要几年才能完成的任务，例如通过分解大数来破译密码。

    1995年12月，研究人员成功地建立了量子两位系统。Monroe和他的同事们用一个被离子制作出一个称为受控非门的逻辑元件，该离子被捕获亚冷却到其最低振动态。这个状态以及第一个激发振动态构成了一个位。第二个位则是该离子的一个电子的自旋。激光脉冲可以迫使这两个位进入迭加态，并根据第一个位的状态使第二个位翻转。其它形式的门使两个光子通过空腔中的一个原子相互祸合，或者使一对相互联系的光子通过一个检测器网络。

    但是，建造一台有用的量子计算机—它依靠数千个离子的迭加进行数十亿次计算—仍然是一项没有把握的工作.间题何在呢，在于迭加会丢失掉。量子门的动作必须足够快，才能在量子位丧失相干性之前起作用。根据NIST门实验的数据，Haroche和Raimond在1996年8月号《今日物理》的一篇文章中计算出，假定门速度为o.1毫秒，则各个位必须保持在迭加态中至少一年的时间才能完成一次有意义的计算（在这个例子中就是分解一个200位的大数）。

    其它物理学家则不那么悲观，因为可以用纠错码依经典计算中纠错码是必不可少的）作为解决办法，IBM公司沃森研究中心的David Divincenzo说：“它提供了关于如何修复损坏的指示。”

    此外，Divincenzo指出，一种新的量子计算方法—它使用核磁共振技术（NMR）——可以使相干的时间延长到1秒或更长。假定把某种液体—如一杯咖啡-—置于磁场中。由于热振动和其它力的作用，咖啡因分子的每一百万个原子核中只有一个原子核的取向同磁场方向对齐。对于那些其取向同磁场方向不一致的原子核，可以用射频波对其施加作用，使它们的自旋处于“向上”和“向下”的迭加态。采用这种方法保持相干性比用其它方法保持相干性容易一些，因为处于迭加态中的核自旋周围有无数来来往往的分子保护它免受环境的影响，这些分子毫无规律的作用相互抵消得一干二净。起计算作用的咖啡因实际上位于台风中心平静的台风眼内。最近有两个研究小组演示了借助MMR的量子计算。他们用一个有4个量子位的量子计算系统实现了1与1的加法，更复杂的系统产—可能使用10个量子位一一大概可在今年底以前问世。

    缺点在于读出。由于没有任何办法检测单个的自旋，研究人员必须测量所有分子的自旋，包括量子位的自旋和非量子位的自旋。因此，能够保持许多自旋分子的“噪声’比简单分子大。Monroe说：“量子计算系统能够干一些很出色的工作，但是凡超出10位以后，它们就会碰到一些根本性的问题了。”10个量子位的输出其强度仅为单个一位的输出的0.001，而20个量子位的输出其强度将下降到百万分之一。所以NMR方法可能不会达到50位的水平随行有实用意义的计算至少需要有50个量子位）。

    不过量子迭加可能还有其它一些用途。Stroud建议把数据存储在原子上，因为里德伯原子中的电子可以被置于2500个不同能级的迭加态中。Stroud解释说：“这就意味着电子的波函数可以非常复杂，从而能编码大量的信息。”他通过把“OPTICS”（光学）这个词写在原子上而从理论上证明了这种可能性。原子迭加的其它用途—例如在加密术、化学乃至远距传物中的应用—也已得到演示。薛定谔装在盒子里的那只猫可能至今一直使具有最优秀的哲学头脑的人都一筹莫展，但它似乎已发现有许许多多技术上的理由要求它在盒子里一直呆下去。

（肖茂汉 译 巨浪 校〕