宏观量子相干性 · aiwiki.page

宏观量子相干性是指在涉及大量粒子或可通过实验探测的集体自由度的系统中，量子相干性持续保持的现象。这个术语有两种相互关联的用法：一是超导体和凝聚态等系统中广泛存在的相位相干性，二是宏观上可区分的状态之间的相干性，例如超导环中沿相反方向流动的环流。后一种用法关注的是，量子叠加能否在微观系统之外仍然被观测到。这两种含义不应混为一谈。(nature.com)

相干性与宏观性

在量子力学中，相干性描述的是使不同可能状态之间能够产生干涉的相位关系。对于两个近似正交的集体态 $|A\rangle$ 和 $|B\rangle$ ，一个相干的状态可以写成

|\psi\rangle=\alpha|A\rangle+\beta|B\rangle, \qquad |\alpha|^2+|\beta|^2=1.

其密度矩阵含有与 $\alpha\beta^*$ 成正比的非对角项。具有相同占据概率的非相干统计混合态则没有这些项。因此，仅测量系统处于各个可能状态的频率，并不能证明相干性：测量还必须能够将叠加态与相应的混合态区分开来。(people.physics.illinois.edu)

“宏观”并没有以尺寸、质量或粒子数界定的普遍适用的阈值。相关判据包括参与其中的组成粒子数，以及能否通过某个集体可观测量区分叠加中的不同状态。一个大型物体可以仅在某个选定的自由度上表现出量子行为，而不必让其所有内部运动都形成相干叠加。(people.physics.illinois.edu)

集体相位相干性

在凝聚态物理学中，集体相干性通常用一个复数序参量来描述，惯常写作

\Psi(\mathbf r)=|\Psi(\mathbf r)|e^{i\theta(\mathbf r)}.

相位 $\theta$ 描述系统不同区域之间的关系。这种宏观描述通常并不是完整的多粒子波函数。超导现象、超流性和玻色—爱因斯坦凝聚态中常见的广延相位有序，本身并不能证明存在两个宏观上不同的构型的叠加。(homepages.physik.uni-muenchen.de)

在常规超导体中，集体态涉及库珀对。约瑟夫森效应使相对相位能够通过实验探测：由弱连接隔开的两个超导体之间可以有电流流过，其大小取决于两者的相位差。在约瑟夫森结中，这种集体相位还可以充当动力学量子坐标。(people.umass.edu)

让膨胀中的原子云相互重叠，可以研究凝聚态的相干性。1997 年，研究人员在两个钠原子凝聚态之间观测到了高对比度的物质波干涉。干涉条纹为存在空间相干性和长程关联提供了证据，而不仅仅表明大量原子占据了某个低能态。(homepages.physik.uni-muenchen.de)

集体态的叠加

超导电路为研究可区分的不同集体态之间的相干性提供了可控程度很高的实验平台。嵌有约瑟夫森结的超导环可以具有对应于不同磁通和环流电流的状态。在合适的工作点附近，量子耦合会使这些状态形成叠加。(nature.com)

2000 年，乔纳森·R. 弗里德曼及其同事报告了超导量子干涉仪（SQUID）中不同磁通态形成叠加的谱学证据。观测到的能级结构与一个模型相符，该模型认为，与不同势阱对应的状态发生了相干耦合。这是来自谱学的证据，而不是直接观测到一个日常尺度的物体同时占据两个可见位置。(nature.com)

此后，对电路状态的相干控制成为超导量子比特技术的核心。2004 年，研究人员实现了磁通量子比特与由 SQUID 电路构成的振荡器之间的受控耦合，并利用微波谱学和相干振荡研究了二者的耦合动力学。(nature.com)

与宏观量子隧穿的区别

当某个集体坐标通过量子过程穿过势垒时，就会发生宏观量子隧穿。即使初态与末态之间不存在持续的、可由实验探测的相位关系，这种隧穿也可能发生。因此，观测到系统从亚稳态逃逸，并不自动证明存在宏观量子相干性。要确认相干性，还需要额外证据，将相干耦合或相干演化与非相干跃迁区分开来。(people.umass.edu)

退相干与实验意义

当相互作用使系统的不同可能状态与可区分的环境状态建立关联时，就会发生量子退相干。若不测量环境，这些状态之间的干涉就会在系统的约化密度矩阵中受到抑制。因此，环境噪声和不受控制的耦合会限制集体叠加态的制备、保持和探测。退相干解释了可观测干涉的消失，但其本身并不能完整解决量子测量问题。(arxiv.org)

宏观相干性实验检验量子理论的预言在多大范围内适用于集体系统，并提供制备和操控量子信息的方法。这些实验还表明，相干性与量子纠缠相互关联，但并不相同：相干性涉及在指定基底中的不同状态的叠加，而纠缠涉及多个子系统的不可分离态。一个相干的电路状态不一定与另一个系统纠缠，不过受控耦合可以产生这种纠缠。(nature.com)

参考来源

Testing the limits of quantum mechanics: motivation, state of play, prospectspeople.physics.illinois.edu
Observation of Interference Between Two Bose Condensateshomepages.physik.uni-muenchen.de
Quantum superposition of distinct macroscopic statesnature.com
Quantum superposition of distinct macroscopic statespeople.umass.edu
Coherent dynamics of a flux qubit coupled to a harmonic oscillatornature.com
Decoherence and the transition from quantum to classical -- REVISITEDarxiv.org