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您曾經同時去過多個地方嗎？ 如果您比一個原子大得多，答案是否定的。
但是原子和粒子受量子力學規則支配，其中幾種不同的可能情況可以同時存在。
量子系統由所謂的“波動函數”控制：一個描述這些不同可能情況概率的數學對象。
這些不同的可能性可以作為不同狀態的“疊加”共存於波動函數中。 例如，一次存在於幾個不同位置的粒子就是我們所說的“空間疊加”。
僅當執行測量時，波動函數“崩潰”並且系統最終以一種確定的狀態結束。
通常，量子力學適用於原子和粒子的微小世界。 對於大型物體的含義尚無定論。
在我們的研究中， 今天發表在Optica，我們提出了一個實驗，可以徹底解決這個棘手的問題。
歐文·薛定er的貓
在1930年代，奧地利物理學家ErwinSchrödinger提出了他著名的關於盒子裡的貓的思想實驗，根據量子力學，盒子裡的貓可以同時活著或死掉。
在其中，一隻貓被放置在一個密封的盒子中，其中一個隨機的量子事件有50–50的機率殺死它。 直到打開盒子並觀察到貓，貓都死了 和 同時活著。
換句話說，貓在被觀察之前就以波動函數的形式存在（具有多種可能性）。 當觀察到它時，它便成為一個確定的對象。
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什麼是薛定ding的貓？
經過大量辯論後，當時的科學界對“哥本哈根的解釋”。 這基本上說量子力學只能應用於原子和分子，而不能描述更大的物體。
原來他們錯了。
在過去的二十多年中，物理學家 已經創造出來了 量子態 由數万億個原子組成的物體 —足夠大，可以用肉眼看到。 雖然，這有 未 包括空間疊加。
波函數如何變為實數？
但是波動函數如何變成“真實”對象？
這就是物理學家所說的“量子測量問題”。 大約一個世紀以來，它一直困擾著科學家和哲學家。
如果有一種機制可以消除大型物體量子疊加的可能性，那麼它將需要以某種方式“擾亂”波函數-這會產生熱量。
如果發現這種熱量，則意味著不可能進行大規模的量子疊加。 如果排除了這種熱量，那麼自然界很可能不介意任何大小的“量子化”。
如果是後者，借助先進的技術，我們可以放置大型物體， 也許甚至是眾生，變成量子態。
這是量子疊加中諧振器的圖示。 紅色波浪代表波浪函數。 克里斯托弗·貝克, 作者提供
物理學家不知道阻止大規模量子疊加的機制會是什麼樣子。 有人說 未知的宇宙學領域。 其他 可疑重力 可能與此有關。
今年的諾貝爾物理學獎得主羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）認為，這可能是由於 眾生的意識.
追逐微小的動作
在過去的十年左右的時間裡，物理學家一直在熱切地尋找痕量的熱量，這表明波動函數受到干擾。
為了找出答案，我們需要一種能夠（盡可能完美地）抑制所有其他“過量”熱源的方法，這些熱量可能會妨礙精確測量。
我們還需要保持一種稱為量子“反作用”的效應，其中觀察行為會產生熱量。
在我們的研究中，我們制定了這樣的實驗，它可以揭示對於大型物體是否可能進行空間疊加。 最好的 到目前為止的實驗 一直未能實現這一目標。
用微小的振動光束找到答案
我們的實驗將使用比已使用的頻率高得多的諧振器。 這樣可以消除冰箱本身產生熱量的問題。
像以前的實驗一樣，我們需要使用比絕對零高0.01開氏度的冰箱。 （絕對值零是理論上可能的最低溫度）。
由於極低的溫度和極高的頻率的組合，諧振器中的振動經歷了一個稱為“玻色凝結”的過程。
您可以想像這是因為諧振器變得非常結冰，致使冰箱中的熱量無法擺動，甚至無法擺動。
我們還將使用不同的測量策略，該策略完全不考慮諧振器的運動，而是考慮其具有的能量。 該方法也將強烈抑制反作用熱。
但是，我們將如何做呢？
單個光粒子將進入諧振器並來回反彈數百萬次，吸收了多餘的能量。 它們最終將離開諧振器，帶走多餘的能量。
通過測量發出的輕粒子的能量，我們可以確定諧振器中是否有熱量。
如果存在熱量，則表明未知源（我們沒有控制）干擾了波函數。 這意味著疊加不可能大規模發生。
一切都是量子的嗎？
我們提出的實驗具有挑戰性。 這不是您可以在周日的下午隨意設置的東西。 這可能需要數年的發展，需要數百萬美元和一大堆熟練的實驗物理學家。
但是，它可以回答有關我們現實的最令人著迷的問題之一：所有事物都是量子的嗎？ 因此，我們當然認為值得付出努力。
至於將人或貓置於量子疊加中，實際上我們沒有辦法知道這將如何影響這種存在。
幸運的是，這是我們現在不必考慮的問題。
關於作者
博士後研究員Stefan Forstner， 昆士蘭大學
