德国Garching的马克斯普朗克量子光学研究所的研究人员成功地利用光腔中的单个铷-87原子来控制传播光脉冲，从而创造了薛定谔猫状态。这一壮举将有助于量子态工程领域的发展，在量子网络和量子计算中有可能得到应用。

1935年，物理学家欧文·薛定谔（ErwinSchrödinger）设计了一个著名的想象实验，实验对象是一只猫，令人惊讶的是，它既死又活。在他的设想中，放射性原子的衰变会触发了一种杀死猫的机制（打破含有有毒气体的小瓶）。然而，由于放射性原子的衰变是一种完全随机的量子现象，我们无法知道猫的死亡时刻。在数学上，猫科动物处于量子态的纠缠叠加状态，即所谓的“薛定谔猫”状态。重建这种状态并非易事，但近年来，研究人员已经设法利用具有不同幅度或相位的激光场的相干态的量子叠加来实现这一目标。他们还利用离子阱（离子阱中离子的振动状态起到薛定谔猫的作用）和限制在超导盒中的相干微波场（这种超导盒由里德堡原子和超导量子比特结合）来创造这些状态。

由Gerhard Rempe领导的一个团队现在已经通过反射一个光腔中的相干激光脉冲来产生纠缠光物质薛定谔猫态，该光腔包含一个处于两种状态受控叠加的单俘获原子（“自旋向上”和“自旋向下”）。该光学腔由两个反射率大于99.99%的反射镜组成，彼此相对，使得它们能够来回反射约10000次的光脉冲。因此，光脉冲与被俘获的原子相互作用非常强。研究的主要作者巴斯蒂安·哈克（Bastian Hacker）解释说：“我们在谐振器中捕获了一个87-铷原子，然后谐振器可以使撞击光脉冲发生相移。”如果原子处于向上自旋态和向下自旋态的相等叠加态，光脉冲也会进入叠加态。他说，这种技术是确定性的，因为在每次试验中光脉冲都会与原子纠缠在一起。“几十年来，薛定谔猫态一直被假定存在，而在我们的研究中，用光学谐振器创造薛定谔猫态的方法是在2005年的一篇论文中首次提出的。他告诉《Physics World》，看到这项最终的工作是最令人兴奋的，这也是量子力学无数胜利之一。

为了确认光脉冲确实处于薛定谔猫态，研究人员测量了它们的维格纳（Wigner）函数，这是非经典系统的一个重要特征。“光脉冲的特性是在所谓的相位空间中描述的，每个点代表一个光波的振幅和相位。” 哈克解释说，“维格纳函数是相位空间中的量子力学概率分布，它包含对光学状态的明确描述。” 在经典逻辑和经典物理学中，概率分布总是正的，负的概率不存在，他说。相反，特殊光学状态如薛定谔猫态的维格纳函数可能会变为负。“这是一个真正的量子特性，经典物理学无法描述这种状态。”

研究人员没有就此止步。作为概念验证实验的第一个应用，他们在原子和光脉冲之间建立了一个量子逻辑门，在光场的相位中编码了一个光子量子比特。“量子逻辑门以量子比特作为输入和输出，并对任何输入状态的任何组合进行基本计算——就像任何计算机中的经典逻辑门一样，”团队成员Severin Daiß解释说。“在我们的实验中，一个量子比特存储在原子上，另一个量子比特以薛定谔猫态编码。”在这套装置中，“0”量子比特是某一相位的光场（“活猫”），而“1”量子比特是相反相位的光场（“死猫”）。栅极的工作原理是将光脉冲发送到光学谐振器上，该谐振器放大原子位置处的光场。 “因此，原子和光场都可以改变彼此的状态来执行一个受控的非（CNOT）操作，类似于经典的加操作。” Daiß说，“但是与经典的门相比，某些输入状态会导致原子和光脉冲之间的纠缠输出——这是我们在工作中看到的。”

薛定谔猫态不仅有助于解决有关量子力学范围的古老哲学问题。事实上，它们确实允许对量子比特进行编码，使光学损耗能够被检测和校正。这与单光子形成了鲜明的对比，单光子会不可逆转地删除所携带的信息。这意味着，薛定谔猫态对于小规模量子网络中的应用具有吸引力，在这种网络中，谐振器中的原子充当由光纤连接的发送节点和接收节点，通过光纤薛定谔猫态可以通过这些节点传播。马克斯·普朗克的研究人员在Nature Photonics（10.1038/S41566-018-0339-5）上报告了他们的实验，他们现在正致力于改进他们的光学谐振器以减少损耗。“这样做将允许我们创建更大更复杂的状态，”Rempe说。“我们还希望创建更强大的基于谐振器的量子网络节点，对谐振器中的多个原子进行独立控制。”

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