科学家证明薛定谔的猫可以同时出现在两个地方

由:茱莉亚•莱顿

耶鲁团队实验中的“猫”实际上是由超导通道连接的纠缠亚原子粒子。Korionov /股票/ Chaiwat照片/思想库的设计"width=
耶鲁团队实验中的“猫”实际上是由超导通道连接的纠缠亚原子粒子。Korionov /股票/ Chaiwat照片/思想库的设计

来自耶鲁大学的一组物理学家将Schrödinger的猫分成了两个独立的盒子,这只该死的猫存活了下来。

嗯,它有,也没有,同时,直到有人发现它。那它要么活着,要么死了。

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欢迎来到量子物理学在这种情况下,可见世界的规则并不适用,微观粒子似乎完全在自己的水平上运行。

一项新的研究这篇论文发表在5月27日的《科学》(Science)杂志上,它建立在叠加原理的基础上。奥地利物理学家欧文Schrödinger在1935年的思想实验中,用一只猫来象征叠加原理。量子理论中最为人所知的难题之一,基本原理亚原子粒子同时处于所有可能的物理状态——一种叠加状态——直到有人试图观察它们。当有人试图观察它们时,它们只占据一个单一的、可测量的状态(方向、位置、能量水平)。

例如,理论上一个电子占据了它轨道上的每一个可能的位置,直到你试图找到它。然后它就在一个地方。

没有国家的猫

这只猫是Schrödinger在实验室之外对叠加的滑稽再现。在他的著名的假设在实验中,他把一只猫密封在一个装有放射性粒子和一瓶毒气的盒子里。如果粒子衰变,瓶子就会破裂,猫就会死亡;如果没有,猫就会活下来。

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HowStuffWorks图解薛定谔的猫思维实验
HowStuffWorks

Schrödinger指出,如果粒子处于叠加状态,同时衰变和不衰变,只要没人看,猫就会死和活,直到有人打开盒子。

Schrödinger没有买。但他错了。在微观尺度上,无法观测到的物质可能以某种方式同时处于多个状态,这种能力可能是量子计算的关键,量子计算承诺的处理速度是当今标准无法想象的。

一个普通的计算机位可以处于“1”状态或“0”状态。一个量子位或量子位,可以在这两种状态下,被称为“猫状态”,允许它同时执行多个任务。

如果这个双态量子位与另一个双态量子位相连接,那么一个量子位执行的任何动作都会立即触发另一个量子位的动作——一种纠缠态——它们就可以作为一个单独的单位同时执行多个任务。

20多年来,科学家们一直在谈论这种“双模式猫状态”,但直到现在才有人实现。

“许多荒谬的场景是原则上理论上直到我们(发现)的量子力学的限制,它总是引人注目的在实验室里看我们能做什么,”陈Wang博士说在耶鲁大学应用物理学系博士后,物理和该研究的第一作者。

两个州,两个地点

在这种情况下,Wang和他的同事所做的是将微波光光子(电磁场中最小的组成部分)困在两个由超导通道连接的独立微波室中。一系列的能量脉冲使两个场处于叠加状态,同时向两个相反的方向振荡。

“微波腔振荡器的猫态非常类似于吉他弦同时向两个相反的方向振动,”王在一封电子邮件中写道。

“双模式猫的状态,”他说,“就像两根吉他弦同时以两种方式振动,但彼此同步。”

这就是超导通道的由来。因为腔室是相互连接的,分裂的光子能够相互作用。他们就这样纠缠在一起,所描述的在这种状态下,“相互作用的粒子变得永久相关,或依赖于彼此的状态和属性,在某种程度上,它们实际上失去了自己的个性,在许多方面表现得像一个单一的实体。”

当研究人员关闭通道时,电场仍然表现得好像它们是连接在一起的。在一个腔体中发生的任何变化都会同时引发另一个腔体的变化,尽管它们不再有物理上的联系。

量子的未来

这项研究首次显示了双模式猫状态的可行性,即一个单一的叠加状态同时存在于两个不同的位置。

王说:“这证明了我们的量子技术已经进步到可以用大量不同种类的粒子制造出猫的状态。”

量子理论似乎变得不那么理论化了。

“不仅[Schrödinger的]猫悖论在物理学家们的概念上不再感到荒谬,”王说,“而且,更多奇异的量子态正变得普遍和可实现。”

该团队的下一个议程是“在两个量子比特之间的量子逻辑门上实现纠错”。

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