Quanta Magazine 上刊載了一篇題為“HowBig Can the Quantum World Be？ Physicists Probethe Limits.”的文章，文章中介紹了物理學(xué)家就量子體系與經(jīng)典體系邊界進(jìn)行探索的進(jìn)展。令人印象深刻的是，研究者計(jì)劃利用生命體（水熊蟲(chóng)）來(lái)制備量子相干態(tài)。一旦該方案成功，將有可能達(dá)成物理學(xué)家多年的夙愿——真正實(shí)現(xiàn)“薛定諤的貓”所具備的那種狀態(tài)。

下文中，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院物理研究所的宿非凡老師會(huì)結(jié)合自身超導(dǎo)量子計(jì)算的研究背景，對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行介紹與解讀。

包括構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)在內(nèi)的所有利用量子規(guī)律的實(shí)用化方案中，我們面臨的最大挑戰(zhàn)在于量子體系中的退相干。

以超導(dǎo)量子計(jì)算為例，雖然在不到20年的時(shí)間內(nèi)超導(dǎo)量子比特的退相干時(shí)間增加了近5個(gè)量級(jí)，從納秒級(jí)別上升到了百微秒量級(jí)，但是要實(shí)現(xiàn)更加通用的量子計(jì)算還需要更長(zhǎng)更穩(wěn)定的相干時(shí)間與狀態(tài)。進(jìn)一步的，如果想要擴(kuò)大量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模，使其擁有數(shù)千甚至數(shù)百萬(wàn)個(gè)糾纏的量子比特，我們還需要弄清楚量子相干性與物理體系尺度的關(guān)系。

實(shí)際上，量子體系的退相干從量子理論誕生之日起就是物理學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。

雙縫干涉現(xiàn)象是最典型的量子干涉現(xiàn)象。在干涉實(shí)驗(yàn)中，如果一個(gè)個(gè)粒子接連通過(guò)隔板上兩條相鄰的狹縫，在不去測(cè)量粒子通過(guò)了哪條狹縫的時(shí)候，粒子的行為類似水波，它的波函數(shù)將同時(shí)通過(guò)兩條狹縫并產(chǎn)生干涉;可是一旦在狹縫旁放置一臺(tái)測(cè)量裝置來(lái)測(cè)量每個(gè)粒子是否穿過(guò)這里，干涉條紋就會(huì)消失。引入測(cè)量之后，粒子的波函數(shù)似乎喪失了相干性，也就是發(fā)生了所謂的退相干。

退相干后初始體系中的疊加性消失了，或者說(shuō)這個(gè)體系的量子特性隨之消失了，系統(tǒng)從量子的轉(zhuǎn)化為經(jīng)典的。

馮·諾伊曼（John von Neumann）在20世紀(jì)30年代提出了一種被廣泛接受的“權(quán)宜之計(jì)”，用以解釋量子體系波函數(shù)中概率的性質(zhì)經(jīng)測(cè)量得到確定結(jié)果的過(guò)程，他將上述過(guò)程稱為“波函數(shù)的坍縮”。波函數(shù)坍縮的觀點(diǎn)在一定程度上減小了量子理論與人們直觀感受之間的沖突，但是需要注意的是，波函數(shù)坍縮的觀點(diǎn)本身并沒(méi)有指明“坍縮”背后的物理機(jī)制。

隨著技術(shù)的進(jìn)步與理論上的不斷探索，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，量子系統(tǒng)的退相干源于量子系統(tǒng)與測(cè)量?jī)x器、環(huán)境的相互作用。

實(shí)際上，我們的日常生活中量子疊加退相干時(shí)間非常短，可以估算出，一粒在空氣中、直徑大約10微米的飄浮塵埃顆粒在相距約10微米的兩處位置疊加態(tài)，由于與周圍環(huán)境的相互作用，其將在10-31秒內(nèi)退相干。如此之短的時(shí)間我們基本無(wú)法測(cè)量，更不用說(shuō)憑人的感官而感知了。

而超導(dǎo)量子比特在該方面的顯著進(jìn)步則可以說(shuō)明，通過(guò)巧妙的測(cè)量設(shè)計(jì)和精細(xì)的環(huán)境凈化，可以延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中量子系統(tǒng)的退相干時(shí)間，同時(shí)在某種意義上，也給了人們弄清量子退相干本質(zhì)的希望。

雖然人們已經(jīng)取得了很多進(jìn)展，但是要進(jìn)一步提升量子系統(tǒng)的退相干時(shí)間，需要從理論上取得突破。

劃定薛定諤方程統(tǒng)治的量子領(lǐng)域與牛頓定律統(tǒng)治的經(jīng)典領(lǐng)域之間的邊界，是物理學(xué)中尚未解決的問(wèn)題之一。物理學(xué)家希望通過(guò)研究微觀物體到宏觀物體這一過(guò)程中的量子相干性的變化，探究退相干的本質(zhì)。

目前，物理學(xué)家們已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)原子、亞原子粒子以及光子的疊加態(tài)。雖然隨著研究體系的增大，體系受到可破壞疊加態(tài)的相互作用就越多，維持疊加態(tài)的難度也會(huì)增加，但可觀測(cè)到疊加態(tài)的系統(tǒng)尺度仍在穩(wěn)步增大。該研究領(lǐng)域的資深物理學(xué)家、奧地利因斯布魯克大學(xué)的Oriol Romero-Isart相信，在未來(lái)幾年里也許能搞清楚退相干的本質(zhì)，以及我們的世界是否從微觀到宏觀都是量子化的。

為此，Romero-Isart與維也納大學(xué)的MarkusAspelmeyer，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Lukas Novotny、Romain Quidant 團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)展了Q-Xtreme項(xiàng)目。目前，該項(xiàng)目已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)直徑100～140納米體系的研究。令人欣喜的是，他們已經(jīng)研究了生物分子的相干性（短桿菌肽A1的天然多肽），并獲得了良好的效果。

Romero-Isart設(shè)想：下一步，可利用光束聚焦于一點(diǎn)形成一個(gè)“光阱”，將病毒等微小的生命體定于特定位置后，通過(guò)特定的方法將其制備成兩種振動(dòng)狀態(tài)的疊加，尋找它們之間的干涉。他們甚至計(jì)劃，利用一種體長(zhǎng)約1毫米的緩步動(dòng)物（水熊蟲(chóng)）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。水熊蟲(chóng)的生命力非常頑強(qiáng)，頑強(qiáng)到可以暴露在外太空中存活數(shù)日。也就是說(shuō)，將其放入超高真空的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中后，其可以保持存活，進(jìn)而滿足人們對(duì)生命體量子疊加態(tài)的研究需求。

一旦這一計(jì)劃成功，物理學(xué)家將制備出“與薛定諤的貓意義十分相近的量子疊加態(tài)”，打破量子領(lǐng)域與經(jīng)典領(lǐng)域之間的邊界，實(shí)現(xiàn)物理學(xué)多年的夙愿。