制备 “热” 薛定谔猫态：开启量子研究新大门

为解决量子现象观测常需高纯度态却难以实现的问题，研究人员开展 “热” 薛定谔猫态（hot Schr?dinger cat states）制备研究。他们用电路量子电动力学（cQED）技术，从混合态制备出该状态，发现其即便高度混合仍具量子特征，这为量子研究提供新思路。

　　在奇妙的量子世界里，量子现象的观测常常需要足够纯净的量子态。然而，实现这一要求并非易事，就像在波涛汹涌的大海中寻找一颗完美无瑕的珍珠般困难。在传统的认知中，制备薛定谔猫态通常是从基态冷却后的真空 Fock 态出发，得到的 “冷” 薛定谔猫态是一种纯净的量子态。但如果从具有一定热激发的混合态出发，制备出的 “热” 薛定谔猫态会是怎样的呢？它还能展现出量子特征吗？这一系列问题激发了科研人员的探索欲望，促使他们开展了相关研究。

为了深入探究这些问题，来自未知研究机构的研究人员踏上了探索之旅。他们的研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。通过一系列巧妙的实验，研究人员发现，即使初始状态的纯度低至 0.06，对应的腔模温度高达 1.8 开尔文，比腔体的物理环境温度高 60 倍，制备出的 “热” 薛定谔猫态依然展现出了量子特征。这一发现意义重大，它为量子研究开辟了新的道路，尤其是对于那些难以实现基态冷却，但又期望观测量子现象的系统，如纳米机械振荡器等，提供了新的研究方向和可能性。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们搭建了电路量子电动力学（cQED）实验平台，将微波腔与一个 transmon 比特耦合，该平台能够精确控制和测量量子态。其次，他们利用特定的量子操作协议，如 echoed conditional displacement（ECD）和 qcMAP 协议，从热初始态制备 “热” 薛定谔猫态。最后，通过直接测量 Wigner 函数来表征制备态的量子特性。

下面让我们详细了解一下研究的具体结果：

1. 实验平台搭建与状态制备：研究人员构建了 cQED 实验装置，将其置于稀释冰箱中冷却至 30 mK。微波腔由高纯度铌制成，具有特定的共振频率和弛豫时间，与 transmon 比特相互作用。热初始态通过让腔模与热浴平衡后再断开热浴来制备，随后利用 ECD 和 qcMAP 协议进行 “热” 薛定谔猫态的制备。
2. Wigner 函数测量与分析：研究人员对不同初始热激发数（nth）的制备态进行 Wigner 函数测量。结果显示，尽管初始态纯度不同，但所有制备态的 Wigner 函数都呈现出干涉图案，且存在负值区域，这表明 “热” 薛定谔猫态具有量子叠加特性。不同协议制备的态，其 Wigner 函数随nth的变化规律不同，如 ECD 态的干涉图案包络半径随nth增大而增大，振幅减小；qcMAP 态的包络则随nth增大而收缩，但振幅减小更慢。
3. 量子特性的进一步验证：通过计算相干函数，研究人员进一步验证了 “热” 薛定谔猫态的量子叠加性质。实验数据与理论曲线对比发现，尽管存在实验误差，但实验制备的猫态数据始终在特定位置出现峰值，表明量子叠加特性不受nth的显著影响。

在研究结论与讨论部分，研究人员强调了 “热” 薛定谔猫态中额外峰值的来源，即对初始态应用的幺正操作产生了初始态中不存在的相干性。同时，研究人员分析了实验中测量的 Wigner 函数与理想情况存在偏差的原因，包括比特操作的不完美、微扰哈密顿量的非线性以及腔比特系统的退相干等。此外，研究还指出，制备更 “热” 的猫态会受到实验条件的限制，如有限的相干时间、脉冲宽度和微扰非线性等。但在理想条件下，标准量子力学理论预测热猫态的对比度不会因热占据数而损失。“热” 薛定谔猫态原则上可在任何连续变量量子系统中实现，这对于那些已实现长相干时间但难以进行基态冷却的系统，如碳纳米管、悬浮磁性和静电捕获介电粒子等纳米机械系统，具有重要的应用前景。该研究为设计无需基态冷却即可观测量子现象的实验协议提供了参考，既展示了机遇，也揭示了挑战，为未来的量子研究奠定了重要基础。