讓薛丁格的貓死去活來（雅典學園物理2）
◎沈政男

2012年諾貝爾物理獎，由法國的 Serge Haroche，與美國的 David Wineland 共同獲得。

兩人的共同點還不少。同樣都是物理學家，都是 1944 年生，都以精巧的實驗設計，闡釋了量子力學與常識相左的理論，並且奠下了量子電腦科技的理論基礎。而兩人的姓氏都有些怪異，翻成中文恐怕更看不懂，也就不翻了。兩人照片放在一起，一下子還分不清楚誰是誰—訣竅：看鬍子。

這些都不是重點，要緊的是兩人的研究成就到底是什麼？

其實諾貝爾獎協會準備了一篇給一般人看的說明文章，但即使如此，嗯，還是很難。底下的說明一大部分來自於此。

首先要知道「薛丁格的貓」這個量子力學裡著名的假設性實驗，這是當年薛丁格為了解釋讓人困惑的量子現象「疊合」（superposition）所提出的一個思考模型。疊合指的是量子可以同時存在於兩種狀態，例如一顆放射性原子可以同時處在衰變與不衰變兩種狀態，不像巨觀世界裡，一個人不可能同時身在台北又在台中兩個地方。

問題來了，假設有一隻貓，被放在一個封閉箱子裡，箱子裡另有一盒子放著放射性物質與一瓶氫酸鉀，如果放射性物質衰變，釋放輻射線，將使氫酸鉀漏出，毒死貓。當箱子未被觀看時，處於量子世界，貓同時處於生與死兩種狀態，而當箱子被人開啟觀看，此時進入巨觀世界，貓只能死或生擇一。

怎會這樣？到底貓在什麼時候從量子的疊合狀態脫離，進入巨觀世界？

今年諾貝爾獎兩位得主，就用精巧的實驗，分別將光子與離子（帶電的原子），從環境的影響中隔離出來，讓它們在特殊條件下，展現量子的疊合性質。（見附圖）。

兩人的實驗可應用在量子電腦，也就是利用粒子的量子狀態當做 0 與 1 的運算根據，遠比現今的電晶體速度飛快太多。而 David Wineland 所捕捉的離子，也可用來設計精準無比的時鐘。

Haroche 讓微波的光子在兩片鏡子形成的凹洞中來回震盪，然後將一顆超大的原子打入凹洞，測量入洞其跟出洞後的能量狀態，就能推估光子的量子性質，計算光子的波函數，進而了解其同時存在的各種狀態（疊合），以及何時瓦解成單一狀態。

Wineland 將離子置放於電場，再用雷射光激發離子所帶的電子，如此可減少離子的震動，降低溫度，再用雷射光微調離子的震動，以研究其量子狀態。