《走近量子》-操控薛定谔猫

有关薛定谔猫佯谬的讨论，其实是围绕着一个中心议题，那就是如何消除量子物理与经典物理的鸿沟，将两者联系起来。在这个佯谬中，放射性物质的衰变是一个微观世界的量子现象，而‘猫’却是一个存在于现实生活中的宏观生命。宏观世界中的猫不可能既死又活，为何到了微观世界中，量子态就可以既是A、又是B呢？它们之间是怎样联系起来的？如何将奇妙的量子现象，与我们常见的经典规律衔接起来？物理学家们为解决这些量子理论的基本问题，努力奋斗了几十年。2012年的诺贝尔物理奖，颁发给了法国的阿罗什（Serge Haroche）^【1】和美国的维因兰德（DavidJ. Wineland）^【2】，因为他们的研究与此有关^【3】，科学网上也已有博文介绍他们的工作^【4】。我在这儿也凑热闹撰文解读，同时也作为《走近量子》系列文章的完结篇。

用我们常见的经典规律，很难理解量子现象。比如说上面所述的薛定谔猫，又比如说杨氏双狭缝电子干涉实验。一个电子怎么可能同时穿过两条缝呢？有人便提出，量子力学只能用于大量粒子的统计规律，不能用来解释‘单个电子’的行为。持这种观点的人说：在杨氏电子实验中，一定是“有些电子走这条缝，有些电子走那条缝”，不可能是“一个电子走两条缝”的！为了解释诸如此类的迷惑，实验物理学家们一直都致力于研究如何囚禁与操控单个量子的方法和技术。有了这种技术后，便能进行单个，或者是少量量子之间的实验，研究它们的相互作用，以检测量子理论对单个量子的正确性。

法国的阿罗什做的是，用谐振腔来囚禁操控‘单个光子’，再射入原子作为探针，使其与囚禁光子相互作用。而美国的维因兰德的工作则相反：用离子阱来囚禁操控‘单个原子’，再以激光为探针，与囚禁离子起作用。两种方法殊途同归，都无可辩驳地再一次证明了量子理论的正确性。

下面具体解读一下阿罗什的工作，也许能使我们减少一点因“薛定谔猫佯谬”而引起的困惑。

阿罗什团队使用一种叫做“量子非破坏测量”（Quantum non-demolition measurement-QND）的方法。我们在前面系列文中经常提到“波函数塌缩”一词，波尔一派以此来解释测量手段如何影响了量子行为。一般的量子测量，将使得系统的波函数塌缩到它的本征态之一。而量子非破坏测量的方法，要求在测量过程中，不造成波函数塌缩，不干扰量子系统的状态，或者系统能在被测量后很快自动恢复到原来状态。因而，这种方法能做到在不破坏量子系统的条件下，连续地读出某些可观测量的一系列数值。如此，就有可能间接探测到量子系统的变化情形。

阿罗什工作的重要性在于两个方面：一是囚禁单个光子的技术；二是实验观察到量子叠加态的退相干效应。

将几个光子囚禁起来，甚至捕获单个光子，是当年爱因斯坦等科学家的梦想。读者可能还记得此系列介绍过的‘波尔爱因斯坦之争’。争论中，爱因斯坦企图难倒波尔，曾经提出过一个‘光子盒’的思想实验。当时的物理学家们都认为这是一个不可能实现的实验，‘囚禁单个光子’，谈何容易啊！光子快速运动，转瞬即逝，它要么就是被吸收，要么就逃往天边，不见踪影，谁能捕捉到它呢？

然而，阿罗什团队做到了！他们用实验实现了爱因斯坦的光子盒梦想。

阿罗什用两面反射率非常高的反射镜，在冷却到摄氏零下272度的环境下，组成了一个高Q值的微波共振腔，使得一个微波光子在共振腔内生存寿命达0.13秒！你可能觉得这个时间很短，但是对光子来说，却已经活得够长了！它已经在腔内跑了7亿多个来回，行程相当于绕地球一圈。这种光子过着与其它光子不同的‘囚徒’生涯，在被囚禁的‘斗室’里碰来撞去，还好，光子没被碰得晕头转向，仍然能担负阿罗什给它的重任：探索量子退相干效应。

什么是量子退相干呢？量子现象最神秘之处就是它的叠加态，也就是相干态。相干态的存在，就是量子现象与经典现象的区别之处。因此，量子退相干的过程，就是从微观量子世界过渡到宏观（或介观）经典世界的过程。换言之，研究量子退相干，就是研究薛定谔的猫，是如何从量子的‘又死又活’态，变回到经典世界中的‘死’或‘活’的正常状态。

原则上来说，世界归根结底是由许许多多的粒子构成的，这些粒子的运动符合量子规律，但是，为什么由它们组成的宏观物体就不符合量子规律了呢？应该如何用量子理论来解释经典世界？20世纪80年代之后，理论物理学家们深入研究这些问题。为此又有了多种设想，‘量子退相干’是其中之一。

量子退相干就是说，一个量子系统状态之间的相互干涉性质，会随着时间的推移而逐步丧失。这种‘退去相干性’的变化可能是因为测量，也可能是因为系统与环境的交互作用、也可能是因为与环境形成了‘纠缠’的结果，当然，也可能还有其他未知的原因。

比如因为测量，将造成波函数塌缩到量子系统的本征态之一，测量后，系统就不再处于叠加（相干）态了。因此，波函数塌缩的问题也与从量子规律过渡到经典规律有关，波函数塌缩也就是‘退相干’的一种表现。但是，波函数为什么会塌缩？波函数是怎样塌缩的？波函数塌缩是否有一段时间过程？这些问题一直困扰着物理学家们。

另外，‘退相干’不仅仅是指‘波函数塌缩’，即使不进行测量，量子系统也会因为与环境形成纠缠态而诱发退相干。换言之，薛定谔佯谬中 ‘既死又活’ 的猫态将随着时间推移很快地分离为两个不相干的独立状态。因而，宏观世界的猫将不会‘既死又活’，而是只能‘或死或活’了。量子退相干的速度到底多快呢，我们从阿罗什的实验结果可以得到一点概念。

阿罗什花了整整20年的努力，使光子在谐振腔里存活的寿命从1996年的千分之一秒提高到0.13秒。这个数值看起来不大，但却足够用来观察光子系统的退相干效应。

有了囚禁光子的‘牢笼’后，阿罗什将一种里德伯原子射入到牢笼里，与1个（或几个）微波光子相互作用。这种里德伯原子呈面包圈圆环状，因为它最外层的电子量子数很高，就像是有个特别大的圆圈轨道，堪称原子中的巨人。它们作为‘探针’，穿过囚禁着光子的谐振腔。就像是在玩乒乓球的一列小狗，排着队一个一个地通过，不停地用口接着光子乒乓球，吃进去，吐出来，又吃进去，又吐出来。（图中的小球位置画得不确切！）实际上，光子并不离开谐振腔。但是，光子和原子相互作用，使得原子带走了光子量子态的部分信息，原子也在光子上留下了自己的足迹。然后，实验者根据这一列里德伯原子带出来的蛛丝马迹，就能够间接地探测到谐振腔中光量子态的情况，从而观察到光量子态从叠加态‘塌缩’到一个非叠加态的变化情形，也就是说，观察到了系统退相干的过程。

如图22.3a所示，开始时，实验中的系统处于光子数不确定的叠加态，光子数可以为从0到7之间的任何一个值（薛定谔猫态）。后来，随着探测原子数的增加（时间的推移），量子态塌缩到一个光子数目固定的福克态（正常猫态）。图中左图的情况，最后的光子数是5；右图中最后的光子数是7^【3】。

图22.3b，是用两个接连的原子探针，测量薛定谔猫态的退相干过程。图中的T是光子寿命，t是两个原子的时间间隔。由图可见，随着t的增大，薛定谔猫态的相干性迅速减少。

 参考文献：

1. S. Deleglise, I. Dotsenko, C. Sayrin, J. Bernu, M. Brune,J. M. Raimond, S. Haroche，Reconstruction of non-classicalcavity field states with snapshots of their decoherence. Nature, 2008. 455:510.

2. M. Brune, E. Hagley, J. Dreyer, X. Ma?tre, A. Maali, C. Wunderlich, J. M.Raimond, and S. Haroche, Observing the Progressive Decoherence of the “Meter”ina Quantum Measurement. Phys. Rev. Lett., 1996, 77: 4887.

3. 有关２０１２年诺贝尔物理奖得奖人资料与演讲可见http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2012/press.html

4. 科学网欧阳锋博文：衔接量子与经典物理：２０１２年物理诺贝尔奖介绍

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=309766&do=blog&id=683773

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