新實驗用超冷原子成功產生大質量薛丁格貓態，挑戰量子穿隧極限

「疊加態」是量子力學核心概念，指粒子在被測量或觀察前可同時存於多個狀態或位置，只是粒子質量越大越難維持疊加態，過去實驗幾乎無法實現多粒子系統量子疊加。現在，科學家成功利用超冷原子產生大質量薛丁格貓態，為宏觀系統量子穿隧效應、開發高精度量子感測器或測量工具開闢全新可能性。

在量子力學中，量子疊加是「結果」，而量子穿隧效應是產生疊加的「過程」，兩者研究痛點在於量子穿隧效應通常只發生在極輕粒子（如電子），隨著粒子質量越大，穿隧機率就會急劇下降，因此疊加態也越難維持。

而量子力學根本問題之一，就是量子疊加能大到什麼程度？宏觀物體（我們看得到的東西）是否能進入疊加態？釐清這些問題能進一步為量子感測、量子運算、量子干涉發展提供新技術路徑，尤其是需要高精度測量的場景。

最近，中國南方科技大學團隊成功利用超冷原子產生大質量薛丁格貓態（Schrödinger cat states），是目前少數能在較大質量系統實現量子穿隧與空間量子疊加的實驗，挑戰傳統量子力學「穿隧機率隨質量指數下降」認知，並推動當前技術能製造的疊加態質量上限。

大質量系統穩定實現量子疊加

具體來說，團隊有別以往將粒子緊密束縛在一起的方法，而是將原子團設計成鍵結較弱的狀態（遠低於能障高度），避免物質波包因粒子數增加而急劇縮小，接著利用相互作用控制高階隧穿過程（實驗最高達七階），將穿隧強度接近單一原子穿隧強度。

新方法讓研究人員能以驚人精度控制超冷原子，最終產生大質量薛丁格貓態，同時觀察到長壽命強相互作用態、多體相互作用等意外量子現象。

原則上，新方法還能應用在約 100 個原子組成的更大系統，而較大粒子數系統可用於探測重力、其他與質量直接耦合的微弱作用力。

團隊下一步是將系統規模從目前少數粒子擴展至數百個粒子，甚至挑戰包含 10⁵ 個原子的玻色–愛因斯坦凝聚態，這將為量子穿隧、量子糾纏、量子增強感測等領域開啟新研究方向。

新論文發表在《自然物理學》（Nature Physics）期刊。

• The generation of massive Schrödinger cat states using ultracold atoms

（首圖來源：AI 生成）