研究人员从热激发基态创造出新的薛定谔猫态

研究人员完成了一项超出传统预期的量子创举——他们不是从超冷基态，而是从温暖、热激发基态创造出薛定谔猫态。该团队利用超导量子比特装置证明了量子叠加态即使在较高温度下也能存在，从而推翻了长期以来认为热量会破坏量子效应的信念。这一突破不仅证实了薛定谔最初的“热猫”概念，还为更实用、更易于获取的量子技术铺平了道路。

薛定谔的猫和热量子态

薛定谔猫态是量子物理学的一个显著特征，量子系统可以同时存在于两种相反的状态。这一概念来自埃尔温·薛定谔著名的思想实验，其中一只猫被想象成同时活着和死去。在现实世界的实验中，人们观察到了类似的量子叠加态——不是在真正的猫身上，而是在原子和分子的位置，或电磁谐振器的振动等事物中。

到目前为止，这类叠加态通常是通过先将量子系统冷却到基态（最低的能级）来创建的。但在一项新的突破中，由 Gerhard Kirchmair 和 Oriol Romero-Isart 领导的研究人员证明，即使系统一开始处于热激发状态，即“热”，也有可能创建薛定谔猫态。

“薛定谔在他的思想实验中还假设了一只活猫，也就是‘热猫’，”因斯布鲁克大学实验物理系和奥地利科学院 (ÖAW) 量子光学和量子信息研究所 (IQOQI) 的 Gerhard Kirchmair 说道。“我们想知道如果我们不从‘冷’基态开始，这些量子效应是否也能产生，”Kirchmair 说。

在埃尔温·薛定谔的思想实验中，猫既是活着的，又是死去的。图片来源：因斯布鲁克大学/Harald Ritsch

在更高温度下创造量子叠加

在今天（4 月 4 日）发表于《科学进展》杂志上的研究中，该团队使用微波谐振器内的 transmon 量子比特来创建猫态。值得注意的是，他们在高达 1.8 开尔文的温度下成功了，这比谐振器通常的环境温度高出约 60 倍。

“我们的结果表明，有可能生成具有不同量子特性的高度混合量子态，”执行研究报告中的实验的 Ian Yang 解释道。

调整协议以产生热猫状态

研究人员使用了两种特殊协议来创建热薛定谔猫态。这些协议以前用于从系统基态开始产生猫态。“事实证明，经过调整的协议在更高温度下也能发挥作用，产生明显的量子干涉，”Oriol Romero-Isart 说，他最近担任因斯布鲁克大学理论物理学教授和因斯布鲁克 IQOQI 研究小组负责人，自 2024 年起担任巴塞罗那光子科学研究所 ICFO 主任。

“这为创造和使用量子叠加开辟了新的机会，例如在纳米机械振荡器中，实现基态在技术上具有挑战性。”

研究人员生成了具有不同量子特性的高度混合量子态。图片来源：IQQOI Innsbruck

超出对温度和量子干涉的预期

“当我们第一次告诉同事我们的研究结果时，他们中的许多人都感到很惊讶，因为我们通常认为温度会破坏量子效应，”帮助发展实验理论理解的托马斯·阿格瑞尼乌斯补充道。“我们的测量证实，即使在高温下，量子干涉也能持续存在。”

对未来量子技术的影响

这些研究成果可能有利于量子技术的发展。“我们的工作表明，即使在较不理想、较温暖的环境中，也有可能观察和利用量子现象，”Gerhard Kirchmair 强调道。“如果我们能够在系统中创建必要的相互作用，温度最终就不重要了。”

编译自/ScitechDaily