量子物理学家创造出有史以来最大的“叠加态”
薛定谔的猫似乎又胖了点。物理学家创造出迄今最大的“叠加态”，这是一种量子态归一化线性组合后的状态。1月21日，相关研究成果发表于《自然》。
奥地利维也纳大学团队将直径约8纳米的钠金属原子团（约由7000个原子组成）置于不同位置的叠加态中，这些位置彼此间隔133纳米。这些原子团并未像台球般穿过实验装置，而是呈现波特性：扩散至空间上相互分离的路径叠加态，随后发生干涉形成可被探测的特定图案。
“这是一个非常出色的成果。”德国柏林弗里茨·哈伯研究所的物理学家Sandra Eibenberger-Arias说。 她解释道，量子理论虽未限制叠加态的最大规模，但日常物体显然不以量子方式运行。这项实验——将蛋白质或微小病毒颗粒等大质量物体置于叠加态——有助于解答“量子与经典之间是否存在过渡”的问题。研究者“证明至少对于这种规模的团簇，量子力学依然有效”。
英国布里斯托大学的量子物理学家Giulia Rubino指出，这项发实验还具有实际意义。量子计算机最终需维持数百万个对象处于量子态才能执行有效计算。若自然界的系统在达到特定阈值后坍缩，且该阈值小于构建量子计算机所需规模，“那是成问题的”。
物理学家长期以来一直在争论经典的日常世界是如何从潜在的量子世界中衍生的。论文作者、维也纳大学物理学家Sebastian Pedalino说，量子理论“从未指出它在超过特定质量或尺寸时就会失效”。
1935年，奥地利物理学家薛定谔通过著名的猫思想实验，揭示了量子力学常见解释的荒谬性。他设想将一只猫、一瓶毒药和一个放射源放在一个密封的盒子里。若放射性原子发生衰变，毒液就会释放出来。当箱体与外界隔绝时，原子处于衰变和未衰变的叠加态；在被观察前，这只猫处于既死又活的叠加态。
现实世界中，物体最终会因复杂性增加或相互作用增强而无法维持叠加态，这一现象被称为退相干。但量子力学也存在坍缩理论，认为在达到特定临界点后，即使处于隔离状态，一个系统也必然会简化为经典态。在2025年《自然》的一项调查中，4%的研究人员将这些理论选为他们最喜欢的量子力学解释。“回答此问题的唯一途径是扩大量子实验的规模。”Rubino。
为此，Pedalino团队在超高真空中以77K（-196oC）的温度产生了一束簇束。他们使簇束穿过由3个激光光栅组成的干涉仪。首层光栅引导簇束穿过狭缝，使其扩散出来并以波的形式同步传播；随后，簇束通过第二层使波产生独特干涉图案；最终，这些图案通过末层光栅实现检测。
观测此类宏观量子效应极具挑战性，因为游离气体分子、光线或电场都可能扰乱精细的量子态，而光栅的微小错位或细微外力都可能使精密的干涉图样模糊。Pedalino表示，团队耗时两年才成功捕捉到这一信号。在此之前，他在地下实验室花费“数千小时”观察“平直的线条和噪点”。
该团队实现的叠加态规模是此前纪录的10倍。这是依据“宏观性”指标得出的结论，该指标综合考量了质量、量子态持续时间及态分离程度。但Rubino指出，这并不意味着其叠加质量创下历史之最。2023年另一团队曾将16微克的振动晶体置于叠加态，但仅在20亿分之一纳米的距离内实现。
论文作者、维也纳大学的Stefan Gerlich说，进一步扩大规模并不容易。质量更大的粒子具有更短的波长，这使得将量子预测与经典预测区分开来变得更加困难。不过，Gerlich说，15年前，他也曾认为今天的实验是“不可能的”。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09917-9
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