薛定谔的胖猫

将薛定谔的猫这一著名的思想实验变为现实，实现宏观的量子叠加态，可以让我们更深刻地理解微观世界与宏观世界的边界。量子叠加、纠缠等超越日常生活经验的量子特性已在微观世界得到反复的实验确认，在加深人们对自然规律理解的同时，也已成为量子信息技术的基础。然而为何这些现象难以在宏观世界观测？

1935年薛定谔提出的“薛定谔的猫”——一只同时处于“死”与“活”的“量子猫”，很好地反映了将量子特性推广至宏观物体时可能带来的困惑。现实中当然没有既死又活的猫，那么宏观物质怎样体现量子性质？有些人会说量子力学不适用于宏观物质，那么宏观世界与微观世界的边界又在哪里？弄清这些问题的途径之一是：着手去造一个处于量子叠加态的宏观物体。

事实上，物理学家早已成功制备出相对宏观物质的叠加态，实现传统思想实验的薛定谔猫态，需要一个经典属性与和一个微观属性纠缠。实验思路大致如下，将两个微观量子特性，例如两个原子能级、两个自旋指向（记为上、下）等，作为薛定谔猫思想实验中的衰变、未衰变原子；将两个不同的宏观特性，例如物体运动的两种不同模式（记为a，b），作为猫的死、活；通过耦合两种特性，可以实现如下演化：当微观为上（下）时，宏观为a（b）。

根据薛定谔方程，如果将微观特性制备为上与下的量子叠加态，那么演化将好似在两个分支中并行进行（这样形象的比喻类似于多世界诠释，但我们并不真正清楚演化是如何发生的），最终形成“上a”与“下b”的两个相干叠加的分支，可以观测两个分支的干涉确认宏观特性确实处于量子叠加态。

从较早的单离子运动态薛定谔猫开始，一系列越来越“大”的猫被制备出来。这里“大”有两方面含义，一是指宏观特性的分离尺度大。

例如宏观特性为空间位置时（根据量子力学，物体可同时处于不同空间位置），两分支的空间距离大。近期的研究已利用冷原子制备了分离达半米的叠加态，但该研究尚有争议。另一方面，是指宏观特性的物质载体的质量大（戏称为薛定谔的胖猫），例如原子团、大分子的空间叠加态。在近期的一项工作中，研究人员声称制备出了生命体“水熊虫”与一个超导量子比特的纠缠态，即水熊虫同时处于两种不同状态的宏观叠加态。

当然这一结果也受到了多方质疑，也有人称“很有希望获得下一个搞笑诺贝尔奖”。

在宏观尺度观察到量子叠加，不仅在实验上难以实现，在理论上同样是具有争议的话题。目前主流观点认为，宏观物体与环境有更多耦合，由此带来的退相干效应使得宏观叠加态难以维持。也有观点认为，标准量子力学只是一个更一般深刻理论的近似，在宏观尺度下不再适用，而宏观叠加态将会被迹动力学或引力坍缩等假想效应破坏。至少目前，学界认为把薛定谔的猫“做大做胖”有助于探索这些未知领域。

在“养育”薛定的胖猫时，一些物理学家另辟蹊径，使用了机械振子。2021年Physics World十大突破之一便是将两个机械振子的运动模式纠缠起来，同时也实现了振子处于不同运动模式的叠加态。不同于原子、电子等微观粒子，机械振子更接近宏观物体，因为它本身就是由大量原子组成。例如研究中100皮克（~10^12个原子）的振子。研究这类物体的量子性质更有希望进一步认识量子与经典的边界。

2023年4月刊登于Science的一项研究中，研究人员成功地让一个16微克（~10^17个原子）的机械振子处在两种运动状态的量子叠加中，这是目前制备出的最“胖”的薛定谔的猫。

显然，对于宏观量子特性的探索是一项“无尽的前沿”。

在量子力学基础方面，量子测量问题一直充满争议，部分原因在于其中涉及到了微观量子系统与测量装置（宏观）、周围环境间的纠缠，研究宏观叠加态有助于理解上述问题；同时也有助于检验一些超越标准量子力学的理论。从量子技术角度看，未来实用化、大规模的量子计算机需要大量量子比特处于可控量子态，宏观量子性的研究有望为此提供参考。同时类似的宏观量子态有望应用于连续变量量子信息处理、量子纠错、对引力波的量子传感等领域。