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“薛定谔的猫”活了20多分钟！我学者实现高自旋原子的长寿命薛定谔猫态
据中国科学技术大学新闻网11月5日消息，该校与合肥国家实验室夏添、卢征天、邹长铃等人合作，利用激光冷原子方法制备成基于自旋的薛定谔猫态，其寿命达到分钟量级，有助于提升对自旋进动相位的测量灵敏度。相关成果于11月1日发表在《自然-光子学》期刊上。
据介绍，在量子精密测量中，自旋进动不仅是测量磁场、惯性等许多物理现象的有效探针，还可以用于探索超越标准模型的新物理。在做自旋进动测量时，高自旋薛定谔猫态具有明显优势，一方面因为高自旋量子数放大了进动频率信号；另一方面因为猫态对一些环境干扰因素不敏感，从而压制了测量噪声。然而，实验中应用猫态面临两大技术挑战：一是如何在高维量子空间中实现幺正变换的高效操控；二是需要保持足够长的量子相干时间。
镱-173原子自旋在一维光晶格中形成薛定谔猫态。左边两个球体分别代表自旋朝上、朝下的两个本征态，它们叠加形成由右边球体代表的薛定谔猫态。
在本工作中，研究团队成功实现了一种具有超长相干时间的薛定谔猫态。研究人员利用光晶格囚禁自旋为5/2的镱-173原子，通过控制激光脉冲对原子诱导非线性光频移，制备出由自旋投影为+5/2与-5/2两个态组成的叠加态。由于这两个态的磁量子数相距最远，所以它们的叠加态被称为薛定谔猫态。这种猫态具有增强的磁场灵敏性，同时在光晶格中感受到完全相同的光频移，处于“无消相干子空间”中，从而对光晶格的强度噪声和光斑形貌变化具有天然的免疫性。
实验结果表明，该猫态的相干时间突破了20分钟。通过Ramsey干涉测量法，研究人员证实了接近海森堡极限的相位测量灵敏度。
这一长寿命薛定谔猫态为原子磁力计、量子信息纠错以及探索新物理等开辟了新途径。
- 责任编辑: 范维
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猫在盒子是否存在，只在于你是否观察它，观察即存在，不观察即不存在。
就像计算机模拟出的虚拟世界一样，需要有冗余来运行，
而我们这个可观测的宇宙，其实也充溢着冗余。
所以，研究薛定谔的猫，也就涉及到了我们这个宇宙的真实性。
其实一句话就能概括：“把猫放进一个盒子里，当你打开盒子看到即存在，当你关上盒子没看到即不存在，猫的存在只在于你是否观察它。”
薛定谔猫态是一个量子力学中的概念，源自于物理学家薛定谔的思想实验。这个实验展示了量子系统可以同时处于多个状态的叠加中，直到被观察时才“塌缩”到某一个确定的状态。在这项研究中，科学家们成功制备了一种基于自旋的薛定谔猫态，并且其寿命达到了分钟级别，这在量子物理中是一个非常长的时间。
二、研究内容
1、自旋和薛定谔猫态：
-自旋是粒子的一种内在特性，可以理解为粒子自转的状态。在这项研究中，科学家们使用了镱-173原子，这种原子的自旋为5/2。
-研究团队通过激光冷却技术将这些原子囚禁在光晶格中，并利用激光脉冲诱导非线性光频移，成功制备出由两个自旋态（+5/2和-5/2）叠加而成的薛定谔猫态。
2、技术挑战：
实现这种猫态面临两大挑战：一是如何在高维量子空间中高效操控量子态；二是如何保持足够长的量子相干时间（即量子态不被环境干扰而保持稳定的时间）。
3、实验成果：
研究表明，该薛定谔猫态的相干时间超过了20分钟，显示出其在磁场测量中的灵敏度接近海森堡极限。这意味着它可以更准确地测量物理现象，如磁场和惯性。
三、应用前景
1、量子信息处理和计算
-延长的相干时间：长寿命的薛定谔猫态使得量子叠加状态能够维持更长时间，这对于量子计算至关重要。当前的量子计算技术常常受到叠加态维持时间的限制，延长这一时间将使得更复杂的量子计算成为可能，从而推动量子计算机的性能提升。
-量子纠错：在量子信息处理中，错误率是一个关键问题。长寿命的猫态有助于实现更有效的量子纠错机制，提高量子计算系统的稳定性和可靠性。
2、精密测量技术
增强测量灵敏度：研究表明，长寿命的薛定谔猫态在自旋进动相位测量中具有显著优势，可以提高对磁场、惯性等物理现象的测量灵敏度。这一特性使得原子磁力计等设备能够更加精准地探测微弱信号，从而在地球物理、航天、医学成像等领域应用。
3、新物理探索
探索超越标准模型的新物理：长寿命猫态为科学家提供了新的工具，以研究和验证一些尚未被充分理解的物理现象。这可能会推动我们对宇宙基本规律的理解，并开启新的科学领域。