中国量子惊人突破！薛定谔猫活了23分钟，量子导航时代或来临？

想象一下，量子世界里有一只神奇的"猫"，它即死了又活着，同时处于生与死的叠加态。这种违反直觉的量子态通常像光一样稍纵即逝，只能维持毫秒甚至微秒、纳秒级的极短时间。自量子力学诞生以来，科学家们就一直在努力延长量子叠加态的寿命，现在这个被认为几乎不可能的任务已经变成现实，中国科学技术大学研究人员创造了一个惊人的奇迹——让量子叠加态稳定存在了1400秒，相当于一整集电视剧的长度！这项突破性研究已发表在2024年9月1日《自然-光子学》杂志上。

这项突破为什么如此重要？让我们从三个层面来解读一下：

• 第一层：超越经典的量子精密测量

想象一下你正在用一把尺子测量物体。按照经典物理学，测量精度永远无法超过这把尺子最小刻度的1/√N（N是测量次数）。这就是所谓的"标准量子极限"。但是通过量子技术，科学家们找到了一条"超车"的道路。

中科大团队利用镱-173原子的核自旋，创造出了一种特殊的量子态——"薛定谔猫态"。就像薛定谔的猫同时处于生死叠加态一样，这些原子被放在了两个完全相反的自旋状态的叠加态中。这种奇特的状态可以把测量精度提高到海森堡极限，理论上是经典极限的1.8倍！

• 第二层：突破性的技术创新

要维持这种精密的量子态，就像在刀尖上跳舞。任何来自环境的微小干扰都会破坏这种叠加态，这就是为什么之前的量子态通常只能维持很短时间。

那么科学家们是如何做到的呢？他们开发了三个关键技术：

一、"魔术波长"光晶格：用特殊频率的激光束创造出一个完美的原子陷阱。

二、"无退相干亚空间"：为量子态提供了一个不受外界干扰的"避风港"。

三、"非线性自旋旋转"：精确控制原子的量子态。

简单来说，这就像是给量子态建造了一个隔音、防震、恒温的"豪华套房"，让它可以安心地待上23分钟！

• 第三层：革命性的应用前景

这项突破的意义远不止于创造纪录。科学家们用这个系统进行了磁场测量实验，灵敏度达到了0.12纳特斯拉，接近理论极限的0.10纳特斯拉，比标准量子极限提高了1.8倍。

这种超高精度测量技术，未来将可能应用于更精确的原子钟、更灵敏的磁场探测器、寻找超出标准模型的新物理现象以及令人期待的量子导航系统。

当然要将实验室的成果转化为实用技术还面临不少挑战。比如目前的系统需要复杂的实验设备，很难小型化和商业化，但这项突破向我们展示了量子技术的巨大潜力，为超精密测量打开了一扇新的大门。

让我们期待这项突破为人类打开更多认识微观世界的窗口。

参考文献：

Yang, Y.A., Luo, WT., Zhang, JL. et al. Minute-scale Schrödinger-cat state of spin-5/2 atoms. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01555-3