--- title: "腔中的猫态为何先失去相干，再慢慢失去能量" description: "叠加态正在失去相干、普通的统计混合、腔在漏能量，要靠什么观测来区分？" canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/cavity-cat-coherence-energy-decay/" language: "zh-CN" page_type: "story" alternate_languages: en: "https://sandboxphysics.com/stories/quantum-evidence/cavity-cat-coherence-energy-decay/" last_modified: "2026-10-24" --- [量子物理：读懂证据](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/) 诺奖 A · 证据与操控 # 腔中的猫态为何先失去相干，再慢慢失去能量 Sandbox Physics · 2026-10-15 叠加态正在失去相干、普通的统计混合、腔在漏能量，要靠什么观测来区分？ ## 把一小份光制备成两种可能的叠加 1996 年，Brune 和同事把只有几个微波光子的光场存进腔里，再让 Rydberg 原子与它作用。这种原子的外层电子被激发到离原子核很远，对微弱光场十分敏感。相互作用以后，原子的两种内部状态各自对应一种相位不同的光场，两种可能共同组成了一个小小的“薛定谔猫态”。 相位说的是振荡走到了周期中的哪一步。一个相干微波场可以有确定的相位，光子数却仍有涨落。这次制备把两个可区分的相位分支放在量子叠加里。研究者接下来要看：等上一段时间，两种可能之间的关系还保不保得住？ 证据阅读：M. Brune et al. (1996), Observing the Progressive Decoherence of the “Meter” in a Quantum Measurement, Phys. Rev. Lett. 77, 4887–4890 ## 要看出叠加，得让两种可能发生干涉 先想一种普通做法：扔硬币，正面准备第一种光场，反面准备第二种。做很多次，两种各占一半。这种统计混合，与两支相干的量子叠加，在只问“是哪一支”的测量中，可以给出一样的比例。 把两支重新合到一起，差别才显出来。相干叠加的结果会随相对相位变化，出现干涉；普通混合已经失去这种相位联系。只数能量，或者只看到两支各自存在，都会漏掉这层差别。 Brune 小组在等待之后送入第二个原子，再把两颗原子的探测结果配起来。由联合结果构成的一个条件概率差，可以感受到两支之间的干涉。1996 年测的是这种双原子关联。后来才出现把整个光场量子态重建出来的实验。 证据阅读：M. Brune et al. (1996), Observing the Progressive Decoherence of the “Meter” in a Quantum Measurement, Phys. Rev. Lett. 77, 4887–4890 S. Haroche (2013), Nobel Lecture: Controlling Photons in a Box and Exploring the Quantum to Classical Boundary, Rev. Mod. Phys. 85, 1083–1102 — published version of the 2012 lecture ## 环境可以带走分支的区别 光从腔里漏出去时，跑出去的场会和留下的场关联起来。如果两条分支漏出的光有所不同，环境便带走了“是哪一种可能”的信息。即使没有人探测漏光，只看腔内光场，也会发现干涉变弱。 这种局部可见干涉的减弱，叫退相干。 下式用一个一般的双分支模型表示这件事。Psi 表示系统与环境合起来的归一化状态；一和二标记两个正交、归一化的系统分支，两种 e 状态各自描述环境，c 系数是复数概率振幅。密度矩阵中带一、二下标的 rho 项描述相干，它要乘上两种环境态的重叠。环境越容易分清两条分支，这个重叠就越小。 这个简化公式选了正交的系统分支，实际猫态里的两个相干光场分量未必严格正交。它说明的机制是：系统与环境纠缠以后，只观察系统时，原本能看到的干涉会受到压低。 $$ \begin{aligned}|\Psi\rangle&=c_1|1\rangle|e_1\rangle+c_2|2\rangle|e_2\rangle\\ \rho_{12}&=c_1c_2^*\langle e_2|e_1\rangle\end{aligned} $$ 证据阅读：S. Haroche (2013), Nobel Lecture: Controlling Photons in a Box and Exploring the Quantum to Classical Boundary, Rev. Mod. Phys. 85, 1083–1102 — published version of the 2012 lecture ## 能量寿命和相干时间不是一回事 干涉已经很淡，腔里的平均能量却可能还剩大半。测能量是在问还留着多少激发，测相干是在问两种可能之间的关系还在不在。泄漏把两者联系起来：能量逐渐流走的同时，漏出的光也可能带走分支信息。 两种可能本来就容易分辨时，漏出去少量光，也能带走很多区别它们的信息。 1996 年的研究发现，两个光场分量在相空间里隔得越远，退相干就越快；相空间是在同一张图里描述振幅与相位的办法。比较时要一起考虑制备方式、已知的腔损耗、有限对比度和装置缺陷。这个结果针对那次制备和损耗模型，不同猫态可以有不同的衰减尺度。 证据阅读：M. Brune et al. (1996), Observing the Progressive Decoherence of the “Meter” in a Quantum Measurement, Phys. Rev. Lett. 77, 4887–4890 S. Haroche (2013), Nobel Lecture: Controlling Photons in a Box and Exploring the Quantum to Classical Boundary, Rev. Mod. Phys. 85, 1083–1102 — published version of the 2012 lecture ## 条纹变淡，要靠对照实验来判断 技术上的随机相位漂移，也能抹平平均后的干涉。实验要控制延时和分量间距，测清腔的阻尼，并独立标定探测器响应。保持制备和分析方法不变，只改等待时间，才能看出相干怎样随时间消退。 实测关联点、理论曲线和相空间示意图，各自有不同用途。每换一个延时就换标定或估计方法，也可能造出一条假趋势，比较因此需要稳定的测量过程。在这些条件下，实验跟踪到了一个受控制备的量子态怎样失去相干。 与环境纠缠解释了可见干涉的消失。为什么一次测量最终给出某一个结果，以及量子力学各种诠释之间的争论，仍然开放。这里有一件具体的事已经能做了：制备一个叠加态，等一等，再测它与经典混合逐渐相近的过程。 证据阅读：M. Brune et al. (1996), Observing the Progressive Decoherence of the “Meter” in a Quantum Measurement, Phys. Rev. Lett. 77, 4887–4890 S. Haroche (2013), Nobel Lecture: Controlling Photons in a Box and Exploring the Quantum to Classical Boundary, Rev. Mod. Phys. 85, 1083–1102 — published version of the 2012 lecture ## 接着操作模型 下面这些教学 Lab 产生的是模拟数据，和上文讨论的历史观测不是一回事。 - [比较光子损耗、分支干涉与奇偶测量](https://sandboxphysics.com/zh/labs/kerr-cat-interference/) - [比较量子位通道中的相干性损失](https://sandboxphysics.com/zh/labs/decoherence-channels/) - [对照态重建这项不同的任务](https://sandboxphysics.com/zh/labs/quantum-state-process-tomography/) ## 来源与阅读说明 本文依据 Brune 等人 1996 年论文和 Haroche 已发表的诺贝尔奖讲稿。双分支约化态公式是一般性的说明模型；1996 年测的是双原子关联，完整光场态层析属于后来的实验。Kerr Lab 计算振子在真空光子损耗下的演化、半复苏时已定义的分支相干因子，并从终态采样奇偶读出；光滑分布图另标为模型参考。它没有复刻 1996 年的 Rydberg 原子读出，量子位通道则是独立的约化态例子。 1. [M. Brune et al. (1996), Observing the Progressive Decoherence of the “Meter” in a Quantum Measurement, Phys. Rev. Lett. 77, 4887–4890](https://link.aps.org/pdf/10.1103/PhysRevLett.77.4887) 2. [S. Haroche (2013), Nobel Lecture: Controlling Photons in a Box and Exploring the Quantum to Classical Boundary, Rev. Mod. Phys. 85, 1083–1102 — published version of the 2012 lecture](https://journals.aps.org/rmp/pdf/10.1103/RevModPhys.85.1083) [黑体辐射：证据是一整条曲线](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/blackbody-spectrum-planck-wien/) [光电效应：电压还不是电子的能量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/photoelectric-stopping-potential-contact/) [油滴实验：从下落时间里找出电荷单位](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/millikan-oil-drop-charge-inference/) [原子谱：定态的证据，不是轨道的照片](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/atomic-spectra-stationary-states/) [Franck–Hertz：下降的电流能证明什么](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/franck-hertz-discrete-excitation/) [Compton 散射：光还要平衡动量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/compton-scattering-energy-momentum/) [de Broglie：物质的波长，波包的速度](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/de-broglie-matter-waves-phase-packets/) [矩阵与波：走向同一组预言的两条路](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/matrix-wave-mechanics-observables/) [Born：散射方向怎样成为概率](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/born-scattering-probability/) [Pauli：填壳层之前，先数清状态](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/pauli-spectra-exclusion-principle/) [Dirac 电子：成功方程里尚未结束的故事](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/dirac-electron-spin-relativity/) [磁场为什么会把一条谱线分开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/zeeman-lines-polarization-lorentz/) [电场怎样把氢原子的谱线分开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/stark-effect-electric-field-spectra/) [从沟道射线的颜色读出原子的运动](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/stark-canal-rays-doppler-emitters/) [两道银迹怎样改变了人们对原子的认识](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/stern-gerlach-silver-beam-spin/) [氢分子的微小偏转，怎样测出了质子的磁性](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/stern-proton-moment-molecular-hydrogen/) 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