研究人員完成了一項超出傳統預期的量子創舉——他們不是從超冷基態，而是從溫暖、熱激發基態創造出薛定諤貓態。該團隊利用超導量子比特裝置證明瞭量子疊加態即使在較高溫度下也能存在，從而推翻了長期以來認為熱量會破壞量子效應的信念。這一突破不僅證實了薛定諤最初的“熱貓”概念，還為更實用、更易於獲取的量子技術鋪平了道路。

薛定諤的貓和熱量子態

薛定諤貓態是量子物理學的一個顯著特徵，量子系統可以同時存在於兩種相反的狀態。這一概念來自埃爾溫·薛定諤著名的思想實驗，其中一隻貓被想像成同時活著和死去。在現實世界的實驗中，人們觀察到了類似的量子疊加態——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，這類疊加態通常是通過先將量子系統冷卻到基態（最低的能級）來創建的。但在一項新的突破中，由 Gerhard Kirchmair 和 Oriol Romero-Isart 領導的研究人員證明，即使系統一開始處於熱激發狀態，即“熱”，也有可能創建薛定諤貓態。

“薛定諤在他的思想實驗中還假設了一隻活貓，也就是‘熱貓’，”因斯布魯克大學實驗物理系和奧地利科學院 (ÖAW) 量子光學和量子資訊研究所 (IQOQI) 的 Gerhard Kirchmair 說道。“我們想知道如果我們不從‘冷’基態開始，這些量子效應是否也能產生，”Kirchmair 說。

在埃爾溫·薛定諤的思想實驗中，貓既是活著的，又是死去的。圖片來源：因斯布魯克大學/Harald Ritsch

在更高溫度下創造量子疊加

在今天（4 月 4 日）發表於《科學進展》雜誌上的研究中，該團隊使用微波諧振器內的 transmon 量子比特來創建貓態。值得注意的是，他們在高達 1.8 開爾文的溫度下成功了，這比諧振器通常的環境溫度高出約 60 倍。

“我們的結果表明，有可能生成具有不同量子特性的高度混合量子態，”執行研究報告中的實驗的 Ian Yang 解釋道。

調整協議以產生熱貓狀態

研究人員使用了兩種特殊協議來創建熱薛定諤貓態。這些協定以前用於從系統基態開始產生貓態。“事實證明，經過調整的協定在更高溫度下也能發揮作用，產生明顯的量子干涉，”Oriol Romero-Isart 說，他最近擔任因斯布魯克大學理論物理學教授和因斯布魯克 IQOQI 研究小組負責人，自 2024 年起擔任巴塞羅那光子科學研究所 ICFO 主任。

“這為創造和使用量子疊加開闢了新的機會，例如在納米機械振蕩器中，實現基態在技術上具有挑戰性。”

研究人員生成了具有不同量子特性的高度混合量子態。圖片來源：IQQOI Innsbruck

超出對溫度和量子干涉的預期

“當我們第一次告訴同事我們的研究結果時，他們中的許多人都感到很驚訝，因為我們通常認為溫度會破壞量子效應，”幫助發展實驗理論理解的湯瑪斯·阿格瑞尼烏斯補充道。“我們的測量證實，即使在高溫下，量子干涉也能持續存在。”

對未來量子技術的影響

這些研究成果可能有利於量子技術的發展。“我們的工作表明，即使在較不理想、較溫暖的環境中，也有可能觀察和利用量子現象，”Gerhard Kirchmair 強調道。“如果我們能夠在系統中創建必要的相互作用，溫度最終就不重要了。”

編譯自/ScitechDaily