量子与经典之间的界限：在室温下制备最重的薛定谔猫

薛定谔猫是量子力学中一个著名的思想实验，由奥地利物理学家薛定谔在1935年提出。他想象一个装有毒气和放射性物质的密闭盒子里有一只猫，如果放射性物质衰变就会释放毒气杀死猫，如果没有衰变就不会释放毒气。

根据量子力学，放射性物质在没有观测之前既可能衰变也可能不衰变，因此处于衰变和不衰变两种状态的叠加。那么，猫也就处于死和活两种状态的叠加，只有当我们打开盒子观测时才能知道猫的真实状态。这个思想实验揭示了量子力学和经典物理学之间的巨大差异，也引发了关于量子测量、量子诠释和量子与经典之间界限的深刻讨论。

有些人认为，量子力学只适用于微观系统，而宏观系统遵循另一套规律。有些人认为，量子力学适用于所有系统，但是宏观系统由于受到环境干扰而很快失去了叠加态，这个过程被称为退相干。有些人认为，量子力学暗示了存在多个平行宇宙，每个可能状态都对应一个不同的宇宙分支。

在过去几十年里，科学家们已经在许多不同的量子系统中制备了类似薛定谔猫的叠加态，例如光子、电子、原子、分子等。但是，在宏观尺度上实现这样的叠加态仍然非常困难，因为宏观物体通常受到很多环境因素的干扰而迅速失去量子特性。为了减少退相干的影响，科学家们通常需要将实验系统冷却到接近绝对零度，并且隔绝外界噪声。即使这样，制备出来的叠加态也往往很微弱或者很短暂。

为了探索这些问题，科学家们一直在努力制备和观测宏观系统的叠加态。最近，在《科学》杂志上发表了一篇论文，报道了在一个重约16微克（相当于10^17个原子）的机械振子上实现了“薛定谔猫态”。他们采用了一种新颖的方法，在室温下制备出了一个具有可见大小（直径约0.1毫米）和可控参数（振幅、频率、相位等）的机械振子，并将其置于一个高真空和低噪声的环境中。

接着他们利用了一种特殊的光学装置，将一个激光束分成两个相互干涉的分束，形成一个驻波场。这个驻波场可以对机械振子施加一个周期性的力，使其在两个方向上振动。通过调节激光的强度和相位，可以控制振子的振幅和频率，以及两个方向上振动的相位差。当相位差为180度时，就相当于振子处于两种相反相位的振动状态的叠加，也就是薛定谔猫态。

为了证明这一点，论文作者采用了一种称为“均匀分布测量”的方法，通过另一个激光束对机械振子进行连续测量，并记录下测量结果的统计分布。如果振子处于经典的单一状态，那么测量结果应该呈现出一个尖锐的峰值；如果振子处于量子的叠加状态，那么测量结果应该呈现出一个平坦的分布。最终他们观察到了后者的情况，并且随着激光强度的增加，分布越来越平坦，表明叠加态越来越显著。

论文作者还研究了机械振子在薛定谔猫态下的退相干动力学。他们发现，在室温下，机械振子可以保持薛定谔猫态约0.1秒左右，这是目前实现的最长时间。他们还发现，退相干速率与叠加态的大小成正比，即叠加态越大（两种状态之间的差异越大）退相干越快。这一结果与理论预测一致，并且表明了环境噪声对宏观量子现象的影响。

这篇论文展示了在室温下制备和控制宏观物体的薛定谔猫态的可能性，并且提供了一个探索量子与经典之间界限和退相干机制的实验平台。这项工作也可能对连续变量量子信息处理和机械振子的精密测量有潜在的应用价值。