物理学
上有四大神兽，芝诺的乌龟、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖、薛定谔的猫。
分别对应着微积分、经典力学、热力学第2定律和量子力学。
在这四大神兽中，
薛定谔的猫
是最神奇的。
它行走生死之间，穿越平行世界。
新生代的物理学家，都笼罩在这只猫的阴影下。
如果真的有上帝，那猫是最有竞争力的。
它既可以是一只死猫，也可以是一只活猫。
换句话来说，它处于生存与死亡的叠加状态。
不过，根据
退相干理论
，它不可能永远处于这种叠加态。由于环境影响，这
种叠加状态
最多只能存续几秒钟。也就是说，这只猫很可怜，最多只能活短短几秒钟。
但现在，它可以活上23分钟了！
可别小看这23分钟，因为这意味着人类对量子力学的研究又有了重大进展。
这就要归功于中国科学技术大学科研团队的一项研究。这项研究由
中科大少年班
学院院长卢征天教授、合肥国家实验室研究员夏添领衔，其成果发表在
《自然·光子学》。
在说明这项研究成果之前，先说说这只猫是怎么来的。
1926前
，薛定谔
融合爱因斯坦和德布罗意理论
为一炉，创立了严谨自洽的波函数理论。他把波动力学化为了“
薛定谔方程
”，具有
世界上独一无二的价值。
但作为一个
物理学家
，薛定谔总觉得自己创立的这个方程有毛病。尽管所有人都认为这是一种天才创造，但自己怎么看都觉得诡异。
因为它与量子理论本身相抵触，就算有爱因斯坦的安慰，薛定谔8年来还是天天梦魇，连泡妞的心思都没有了。
薛定谔觉得这样的日子没办法过下去了，得搞个实验来论证到底是谁的错。所以后来就有了著名的
1935年“薛定谔的猫”的实验。
这个实验简单地讲是这样的：
将一只猫关在一个密闭无窗的盒子里，盒子里有一些放射性物质。一旦放射性物质衰变，有一个装置就会使锤子砸碎毒药瓶，将猫毒死。反之，衰变未发生，猫便能活下来。
尽管几乎所有人认为薛定谔的猫必死无疑，可事情却没这么简单。
这只猫开始嘲弄代表人类最高智慧的科学家们，它被赋予量子世界的特异功能——量子叠加。在这猫身上，宏观世界的因果律业已坍塌，只剩下一连串的概率波。
实验从理论上证明这只猫是不生不死的，半个科学界当时就傻眼了。
这个实验让科学家第一次切身感受微观世界的神迹，从而感受另一个完全不一样的世界。这只猫，非常明确地告诉我们：
尽管从未见过这只
行走于生死边界的猫
，但科学家们却异口同声地证实他们见过薛定谔之猫的幽灵。
你想象不出它活着的样子，但它却实际存在。
有了微观世界的真实发现，又有团队谋划着把薛定谔之猫彻底带到宏观世界，挑战量子世界的边界。
这只猫，正是连通这两个世界的灵物。
如果说
人在主宰宏观世界
，那么
猫在守护着微观世界的入口。
微观世界的确看不到，但我们可以从这只猫身上去追踪和了解。
不幸的是，这只猫很短命。
短命的主要原因，是退相干效应。
退相干
是指量子系统与其环境之间的相互作用，使得叠加态逐渐失去相干性并变为经典混合态。
比如说，当一个原子与周围的光子、声子或其他粒子相互作用时，这些微小的干扰会导致叠加状态“塌缩”或丢失。环境中的热噪声、振动和电磁干扰，都会引发退相干。
想象一下，你有一杯刚刚倒好的热咖啡，上面漂浮着一些冷的奶油。此时，
咖啡和奶油是分层的
，互不混合。这就像是量子系统中粒子处在一个稳定的“
量子叠加态
”——它们同时处于多种状态。
但是，如果你
用勺子去搅拌咖啡和奶油
，
它们就会混合在一起，变成一种新的均匀状态。
原本分层的咖啡和奶油再也无法分开，就像量子系统中的“
退相干效应
”。
这个过程使得量子系统的特殊性质消失，变得不再神秘，也不再适合进行量子计算或测量。
薛定谔的猫，就是在这个过程中消亡的。
从薛定谔的猫延伸到量子计算，两者利用的都是“
量子叠加态
”。
量子计算之前，经典计算基础的构建要素－－Bit存在于两种不同状态：
0或是1.
这就是传统计算机里最底层的世界，
虽然简单，但它能创造出一个偌大的互联网世界。
然而也有一个缺点，在
同一时间只能处理一个Bit
，计算能力受到限制。
而在
量子计算
中，规则改变了，一个“量子比特”不仅仅存在于
传统的0和1
状态中，还可以是一种两者连续或重叠状态。
因为
量子具有不确定性
，量子比特（Qubit）被描述成
α0|0⟩+α1|1⟩
，其中
|α0|^2+|α1|^2=1
。也就是说，普通计算机n比特可以描述2^n个整数之一。但n个量子比特可以同时描述2^n个复数，这也是量子计算让人类既爱慕又恐惧的原因！
因此，科学家们努力让量子系统“保持不被搅动”，以避免退相干效应，让它们维持量子状态更长时间。
维持相干性，对于量子科学很重要：
要实现复杂的计算任务，量子计算机必须维持足够长时间的相干性，以确保计算过程中的每一步都是精确且有效的。
在量子通信中，如
量子密钥分发（QKD）
，信息的安全性依赖于量子态的相干性。如果相干性被破坏，就可能导致信息泄露或系统故障。保持相干性可以确保量子信息在传输过程中不被环境噪声干扰。
量子传感器和计量设备，如原子钟和重力探测器，利用量子叠加和纠缠态来实现高精度测量。相干性越长，这些设备的测量精度和可靠性就越高。
没想到吧，让这只猫活得更长一些，原来这么重要！
那么，
这只来自中科大的研究团队是如何做到让猫活上23分钟的呢？
量子计量学通常利用非经典态
（如薛定谔猫态和纠缠态），
来超越标准量子极限（SQL）
提高测量精度。
例如：
1.
里德堡原子的猫态
可作为电场或磁场的灵敏探针；
2.多个粒子的纠缠态在
玻色-爱因斯坦
凝聚体的干涉相位测量中超越了经典非关联粒子态。
3.
单个粒子的猫态
还可以与多粒子纠缠态结合，进一步提高量子计量的精度。
然而，利用非经典态进行测量面临两个关键挑战：
（1）制备非经典态通常需要非线性或非局域操作；
（2）由于这些态在环境中易受干扰，保持其相干性较为困难。
为了解决上面这两个挑战，他们利用了激光冷原子方法，制备成基于自旋的薛定谔猫态。
也就是
利用光晶格囚禁自旋为5/2的镱-173原子
，通过控制激光脉冲
对原子诱导非线性光频移
，制备出由自旋投影为
+5/2与-5/2
两个态组成的叠加态。
由于这两个态的磁量子数相距最远，所以它们的叠加态被称为
薛定谔猫态。
这种猫态具有增强的
磁场灵敏性
，同时在光晶格中感受到完全相同的光频移，处于“
无消相干子空间
”中，从而对光晶格的强度噪声和光斑形貌变化具有天然的免疫性。
研究团队通过以下具体步骤，
实现了长达1.4(1) ×10³秒的量子相干时间：
在实验中通过构建一个退相干自由子空间来保护量子态。该子空间使薛定谔猫态在光学晶格中对非均匀光移不敏感，避免了由环境引起的退相干效应。
使用非线性自旋旋转来生成量子叠加态。这涉及使用σ+偏振的控制激光脉冲沿着特定方向传播，驱动原子自旋的动态。
实验中采用了适当的“
魔术波长
”来减轻光移带来的不良影响。这种方法可以有效减少由光场引起的系统误差和退相干问题。
为了验证相干时间，作者使用
拉姆塞干涉仪
了进行磁场测量。
这会是量子科学新的里程碑吗？
在论文中，作者还指出了在更好的真空条件下，猫态的寿命可以延长至与相干时间匹配。
自旋回波技术可以应用于猫态，以进一步减少退相干效应。
在测量外部磁场时，猫态表现出接近海森堡极限的灵敏度，并比相干自旋态
提高了15(2) dB。
其次，通过论文中所呈现的实验方法，实现了
对自旋-F系统的高效初始化
、操控和检测。同时，通过利用
内在自由度
对实用量子计量做出了贡献。此外，高自旋系统可应用于
量子存储
，并提供量子纠错和潜在量子位编码所需的冗余，
用于量子计算
。
