宏观量子物体时代正在到来

薛定谔的小猫正在长大。

是时候重新思考量子力学了。理论本身并没有错，它在帮助我们了解原子和亚原子行为方面，表现得相当好。

问题在于当我们谈论量子力学时，通常会固执地认为它很古怪：波会变成粒子；一个物体或事件，会同时出现在两个地方，或表现为两种状态；幽灵般的超距作用……等等。总而言之，这个理论看起来相当神秘。

问题的部分答案在于，日常生活中的事物都是简单明白、直接了当的，而量子力学中的事物非常不同。但事情为什么总要搞得那么清楚呢？为什么总是“这里或那里”，而不是“这里和那里”？为什么当事物的尺度变大后，量子物理就会被三百多年前牛顿定律支配下的经典物理学取代？

这就是困扰了科学家几十年的所谓从量子到经典的转换。人们至今尚未完全了解它背后的原委。但是在过去二十年间，新的实验技术把这种转换推向了更大的尺度。大部分科学家同意，技术性难度会使一个篮球甚至一个人无法同时出现在两个地方，但是在量子-经典转换方面的新认识同时也暗示，理论上并没有什么能够阻止它成为现实——在我们的“正常”世界和潜伏在这个世界暗处的“古怪”世界间，宇宙并没有设置屏障。换句话说，量子世界可能并没有那么古怪。

生与死的物理学：如果由量子事件来判定盒中的猫是否死亡，那得到的结果会不会是它既死又活呢？Jie Qi / Flickr

想像一台烘干机，它能吐出一对对袜子，而每对的两只颜色都是不同的。但这些袜子是颜色是互补的：一只是红，另一只是绿。一只是白，另一只是黑。我们在看到它们之前，不知道会得到什么袜子——于是我们知道，如果我们得到了一只红的，那另一只必然是绿的。无论是什么颜色，和另一只的颜色都是相对应的。

现在来想像一下我们拥有一台量子烘干机。依照1920年代中期尼尔斯·波尔（Niels Bohr）、沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）等人的量子力学哥本哈根诠释，这些有对应关系（一只的颜色和另一只的颜色有关联）的量子袜在我们看到它们之前，颜色是不确定的。我们所看到的量子袜颜色决定了另一只量子袜的颜色。当我们进行观察时，第一只袜子才是红的（另一只是绿的）或白的（另一只是黑的）。

这些袜子的颜色是一种超越了袜子本身的特点。特定袜子的颜色并不属于它本身，也就是说，这种特点并不属于那只特定的袜子，并非是事先确定的。而袜子的两种颜色被认为处在互相纠缠之中。

退相干会消除量子不调和。量子现象由此转换成遵循经典定律的物理现象。

物理学家欧文·薛定谔（Erwin Schrödinger）把这种纠缠描述为量子行为的关键，并用它构建了一个著名的悖论。他想像把一只猫关在一个盒子里，盒子里还放进了一些能够被某种量子事件释放出来的毒药。由于事件是量子化的，因此它的状态是同时被触发和不被触发，这种状态被称为叠加态。

叠加态在微观世界并不罕见，原子之类的微粒都稳固地存在于量子现实中。但是薛定谔的猫是一只存在于大尺度上的猫，结果就是矛盾的，猫在被杀死的同时又活着。

通常的解释认为，猫的死活，是对叠加态的一种测定，它迫使我们做出一种选择。在猫的面前，叠加态发生了坍缩——实际上，这对整个宇宙都有效——它从两种可能，坍缩为一种状态：猫要么死了，要么活着，而非两种状态同时存在。因此我们不可能见到一只既死了又活着的猫。

但在我们见到猫之前，它又处于什么样的状态中呢？依照哥本哈根诠释，这个问题是无解的。现实是依照我们的观察和测量而存在的，在我们作出观察前对现实进行推测是没有意义的。

其他科学家，特别是阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）无法接受这个观点。他们深陷于经典的“现实”观点中，无法自拔。经典的“现实”观点认为，一切都有其特殊的客观属性，与我们是否看到它无关。爱因斯坦和两位年轻的同事——鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和内森·罗森（Nathan Rosen）进行了一次“量子烘干机”式的思想实验，试图证明量子理论是如何推导出悖论的。但是1980年代对激光光子的测量结果表明，量子纠缠确实存在——它不是靠“超光速”实现的通讯方式，而是因为这种量子特性能够跨越时空而发生。

从那以后，实验物理学家便开始致力于建造比原子更大，但比猫要小一点的量子物体。这种量子物体常被戏称为“薛定谔的小猫”，而它们正在迅速长大。

薛定谔的小猫：中间的条形物（被红色虚线框出的那部分）能够同时以两种不同的方式振荡，这是一种量子物体。Oskar Painter

让小猫长成大猫的办法，是学习如何维护量子的相干性，粗略地说，就是让波状量子微粒的峰谷保持同步的能力。随着量子状态的演化，它会和环境发生纠缠，相干性能够向周边渗透。用一个不怎么恰当的比喻来形容，有点像高温物体向寒冷的周边环境散发热量。

另一种方式是使本体信息增长。量子体系观点认为，量子物体具有非本体相关性，它使我们无法通过只测量那一部分来获知那一部分的所有信息。总是有一些信息会被忽略。与之对照的是，我们一旦得知袜子是红色的或绿色的，就不再会残留下任何与颜色有关的信息。美国新墨西哥州洛斯·阿拉莫斯国家实验室的沃奇克·祖瑞克（Wojciech Zurek）构想了一个与测定作出后所剩信息有关的表达式，他称之为量子不调和。对于一个经典体系来说，不调和的系数是零。如果系数大于零，那这个体系就会呈现出部分量子化特点。

退相干则会消除量子不调和。量子现象由此转换成遵循经典定律的物理现象：没有叠加态，没有量子纠缠，没有非本体性，成为存在于一定时间、一定空间中的物体。

那么在非相干开始摧毁量子化特点前，量子小猫能够长得多大？早在1920年代后期，我们就已经通过开创性的电子干涉观测获知，像电子这样的粒子，能够以一种相干的量子波形式呈现出来。随后，人们又发现原子也有波状特性。到了1990年代，制造相干的“物质波”成为一种可能，于是人们又对原子和分子进行了量子波干涉观测。

退相干和粗粒化为测量提供了两条通往经典世界的互补方式。

物质团块在保持这种干涉特点的情况下能够生长得多大呢？1999年，维也纳大学由安东·泽林格（Anton Zeilinger）和马库斯·阿恩特（Markus Arndt）主导的科研小组，把由60个碳原子构成的富勒烯分子（C60）集成一束，使之从宽约100纳米的氮化硅陶瓷栅格空隙中通过，结果在另一端检测到了干涉图纹。随后他们又发现这种量子波在一种内含430个原子的有机分子身上也存在，而该分子的宽度可以达到6纳米。我们可以用电子显微镜轻松地看到它们，它们的大小和小型蛋白质分子相差无几。干涉图纹会被退相干冲刷掉——当科研人员在仪器中充入气体，使这些分子和环境的作用增强后，它们就消失了。

这种干涉是由分子产生的，因此它们可以被认为是一种分子化的薛定谔小猫。它们非常小，而且也不是活物。但是否有一天，这种干涉能够扩展到生命的尺度——比如“薛定谔的病毒”身上？

这个想法是由德国佳尔兴马克斯·普朗克量子光学研究所的Ignacio Cirac和Oriol Romero-Isart提出来的。他们描绘了一种叠加态实验方法，实验对象不仅可以是病毒（病毒的直径大约在100纳米以上），也可以是极端坚忍的缓步类微生物，也就是所谓的“水熊”（长度可达1毫米左右）。这些物体悬浮在由强烈激光光场产生的光阱内，它们可以在力场中被诱发出振动叠加态（就像在碗底往复滚动的球一样）。缓步类可以在宇宙飞船外表生存，因此也许能够承受此类实验中的高度真空环境。但是到目前为止，这只是个提议。

但是我们已经知道，大至肉眼可见的物体也能够产生纠缠态。2011年，牛津大学物理学家Ian Walmsley领导的科研小组用激光脉冲在两块宽3毫米、相互间隔15厘米的钻石晶体上激发出了纠缠态量子振荡（声子）。发生相干振荡的声子内含大约10^16个原子，对应的晶体部分大约是0.05乘0.25毫米。为了产生叠加态，科研人员用光束分离器将光子以相同的概率射向两块钻石。只要他们不检测这条路径，光子就会在两块晶体中产生纠缠振荡。当声子被激发后，就会辐射出第二个光子，这样科研人员就能够对它进行检测，而不必确定它来自哪块晶体。在这种情况下，声子可以被认为是由非本体产生的，从某种意义上来说它同时来自两块钻石。

另一种在相对较大的体系中引发量子效应的方法，是对非常微小的弹性结构，比如纳米级的悬臂和“纳米力学谐振器”进行研究。在分子级别上，振荡是量子化的：它们只会以明确的频率发生，或处于允许量子状态的混合叠加态。在理论上，纳米力学谐振器足够小，足够轻，能够区别出量子振荡状态。读出谐振单元振荡状态的一种理想方式，是把它的力学运动和光进行匹配，这一方法名为光力学。最简单的形式，是制造出一个使光能够在镜面间往复反射的封闭空间，并把其中一个镜面和一个弹力装置相连，这样它就能产生振荡。

已经有多个团队在类似的纳米级光力学体系内对量子行为进行了成功演示。例如，科罗拉多博尔德国家标准和技术研究所的John Teufel等人，把一种厚100纳米、宽15微米的鼓状铝膜当作谐振器，匹配到了微波频率空腔上。而帕萨德纳加州理工学院的Oskar Painter等人又在15微米长，横截面为600x100纳米的纤细硅束上实现了同样目的。这些物体只有用显微镜才能看见，但是和分子相比要巨大得多。为了确保这些振荡器能够存在于一种单纯的、低能量的振荡状态下，他们把设备冷冻到了接近绝对零度，并用激光束或微波使温度降得更低。

如果我们想在这些谐振器上制造出叠加态或纠缠态之类的量子效应，我们就需要能够控制它们的量子行为。一种方法是把谐振器匹配到一个量子物体上，量子物体的状态能够随意切换，如用来建造量子计算机的“量子比特”，能够同时产生两种状态。圣·芭芭拉加州大学的Andrew Cleland等人在显微镜下的氮化铝薄片上做到了这一点。而还有很多人希望能够制造出叠加态的振荡器，观察它们是如何在与环境发生纠缠后消除相干的——体型中等的薛定谔之猫现身了。

如果我们能够完全控制退相干，那么最终是否可以让这只小猫长成大猫？这可不容易。因为我们要制造出这种东西，我们必然会看到它。是的，带有测量设备的纠缠体系，其本身的行为就可能使它自身被干涉——但麻烦可能还不止于此。佳尔兴马克斯·普朗克量子光学研究所的物理学家Johannes Kofler和维也纳大学的Caslav Brukner早在2007年就提出，每一次对大型量子体系的实验性研究都可能会在没有任何退相干的情况下引发经典行为的出现。测量本身，就会把量子的多样性转化为经典的唯一性。

Kofler和Brukner认为，这是因为测量不可能做到无限精确。教科书中总有关于实验精确度妨碍我们在宏观体系内看到量子组件的争论：因为互相分离的能量状态会随着体系规模的增长而逐渐靠近，它们会在我们的察觉力内模糊为能量的连续体，就像一只飞行的网球一样。但这并非网球是“经典”物体的唯一原因，因为它没有真正消除物体的量子化特点——比如，网球速度的叠加态。

Kofler和Brukner指出，当测量本身比较“粗粒化”时，精度不足以在一个相当大的体系内，区分出多个在空间上互相靠近的量子状态，量子力学方程解释了它是如何随着时间的推移，坍缩为经典的牛顿力学方程的。“我们可以准确地展示，在粗粒化的测量中，许多粒子的纠缠态或非本体特征被消除了，”Brukner说。当进行粗粒化测量时，量子物理变成了经典物理，而它通常都是些“巨大”的体系：一种由带有大量可能状态的粒子构成的体系。

部分学者认为，这样的叠加态可能存在于从视网膜到大脑的神经信号中，从而使“知觉叠加态”闪现成为可能。

这个观点并非无懈可击：理论上有可能（虽然实际上非常困难）在对体系某些特性的粗粒化测量中制造出一种奇异的状态，而不使其朝着经典物理方向发展。但韩国首尔国家大学的Hyunseok Jeong等人发现，即使出现测量的趋势，也足以摧毁其量子行为。Jeong说，除了不可避免的模糊性之外，测量仍然在一定程度上会和我们何时、何地进行测量产生关联：也就是所谓的测量参考。这同样会在量子体系中产生影响，进而导致它表现得像个经典物理体系。

Kofler说，退相干和粗粒化为测量提供了两条通往经典世界的互补方式。“如果退相干足够强，就会获得独立于测量之外的经典特性，”他说。“如果进行粗粒化测量，那就会得到和环境相互作用相独立的经典特性。”

这一构想为“薛定谔的猫”之谜提供了一种令人惊异的解决方案。我们无法看到一只处于叠加态的、既死又活的猫，Brukner说，并不是因为它不可能存在，或因为退相干，而只是因为我们不能实际看到它。“即便有人把一只薛定谔的猫放在我们面前，我们也无法发现它，因为我们没有足够精确的设备。”也就是说，在猫身上，我们所能作的任何测量，都无法显示出一种能与经典构想解释相同的结果。即便是光力学设备中的振荡器，要对真正的叠加态进行检测也颇具挑战性，因为它要测量的差异连1埃（10^-10米）也不到。基于这些理由，“在实验中对这些观点进行检验挑战巨大，”Joeng承认。但即便如此，他乐观地估计，“我希望不久的将来能够在实验室中检验我的观点。”

对于退相干无法成为量子-经典转换问题的全部解释，还存在着其它观点。1980年代和1990年代，著名数学物理学家Roger Penrose，以及匈牙利物理学家Lajos Diósi各自提出，力学体系中的量子行为可能会受到引力的影响。如果是这样，那就意味着经典物理行为和一定的质量有关，。一旦物体通过引力“感觉”到了另一个物体的位置，它就会和某种测量相关联，最终摧毁量子的相干性。

部分学者，如维也纳大学的Markus Aspelmeyer和圣·芭芭拉加州大学的Dirk Bouwmeester，希望能够用光力学来对这类退相干进行检验。在设想中，Aspelmeyer等人想在卫星上的零重力环境中进行一次名为MAQPO的实验，在那里，他们可以用极为灵敏的传感器，对物质波中直径约100纳米（这在量子物理学中已经相当巨大）的粒子，在自由落体中产生的干涉结果进行探测。而有些理论，如Penrose和Diósi的引力坍缩观点，则认为在大型粒子身上，它的干涉特点会消失。

最近，汉堡大学的物理学家Roman Schnabel描绘了另一种实验方式，可在引力存在的情况下进行退相干检测。实验需要有两面巨大的镜子，每面重100克，分别固定在一个弹力装置上，这样就可以让它们发生振荡，进而在光束在它们间弹跳时发生纠缠，光的纠缠（较容易实现）由此即可转换成两面镜子的纠缠。通过对光进行控制，并观察镜子在随后几微秒内发生的振荡变化，就有可能会观察到二者间产生的量子对应关系，并进而超越标准量子理论受引力影响所作的预测，探寻退相干的偏差率。

§

严格意义上的量子力学效应发生在宏观尺度上无疑是可能的：极低温度下产生的没有粘性的超流体，以及当电流通过时不产生电阻的超导现象，都是很好的例子。从某种意义上来说，我们体验到的许多事物，从视觉到物体的实在性，都取决于某种只有量子物理学才能解释的效应。

但是那些委实古怪的量子物理（纠缠态和叠加态，换句话说，也就是维持量子的不和谐）对我们来说，又是另一回事。也许我们有机会不把这些效应放大就能看到它们：人眼只能记录三个左右的光子，伊利诺斯大学厄巴纳校区的物理学家希望能够发现，大脑是如何在叠加态或纠缠态中，对光子进行回应的。部分学者认为，这样的叠加态可能存在于从视网膜到大脑的神经信号中，从而使“知觉叠加态”闪现成为可能。

在工程学上把纠缠态和叠加态植入到宏观体系中仍然是一个重要但长远的目标。把大型体系变成“薛定谔的猫”不只是要看看好奇有没有害死猫，它是有实际意义的：量子计算机，它能通过量子效应，使处理能力获得爆发式增长。量子计算机需要在实践中，利用纠缠态和叠加态，通过大量的量子比特获得这种能力。因此，了解退相干在尺度变大时的表现方式，并进一步寻求控制它的能力，是量子信息技术实用化的关键。

物理学家推断，让薛定谔的这只猫在现实中出现并不是基础性的难题，而只是一个技术问题。就现在而言，这期间的区别可能不是那么大，因为实验能力带来了很大的限制。“我认为，在实践中对宏观叠加态或纠缠态进行全面退相干控制几乎是不可能的，”Jeong说。“即便可以，另一个挑战——测量的粗粒化——可能也等在那里，等着把宏观量子叠加态干掉。”但是他认为，如果我们可以开发出足够精细，有足够隔离程度的设备，没有理由不相信量子效应会在人体尺度上出现。到目前为止，我们还没有在微观和宏观之间发现任何能够反驳这个看法的证据。

两千多年来，我们一直都相信柏拉图对有形世界的常识性看法：“一件事不可能同时以两种不同的方式发生，一件物不可能同时出现在两个地方。”但在量子力学面前，我们已经不再那么自信。随着薛定谔的小猫逐渐长大，我们可能要逐渐习惯和不可思议的事情共处。

Philip Ball 文 / Ellen Weinstein 图 / 老孙 译