牛津大学的研究人员创造了一种新的量子叠加态，这一现象常常与著名的薛定谔的猫思想实验相关联。与之前的版本不同，这些新演示的状态是由高度非经典的量子组件构成的。这一成就可能有助于推动量子计算超越传统的二进制系统，改善传感技术，并提供对量子物理基础的新见解。量子力学中最令人惊讶的特征之一是，物体可以同时存在于多种状态中。这个概念通常用薛定谔的猫来说明，这只假想的猫在被观察之前被认为是既活着又死着。虽然这个思想实验是虚构的，但科学家们常常在实验室中创造真正的量子叠加态。原子、光，甚至运动都可以同时处于多种量子状态中。生成和控制这些状态的能力对于量子计算机和超精确时钟等技术至关重要。一个熟悉的例子是量子比特，即 qubit，它可以同时存在于 0 和 1 的组合中。然而，量子系统的能力远不止两种状态行为。量子谐振子可以占据许多能级，提供更丰富的可能性。这些谐振子描述了包括光、振动和被捕获粒子运动在内的广泛物理系统。科学家们利用它们创造了许多不同类型的量子叠加态。一个著名的例子是“猫态”，其中一个谐振子作为两个朝相反方向移动的波包的叠加态存在。这些波包称为相干态，是对经典运动最接近的量子等价物。 从非经典组件构建量子态 牛津团队现在展示了一种全新的量子叠加家族。研究人员不是从相干态波包构建类似猫的状态，而是开发了一种技术，该技术结合了一系列已经高度非经典的量子组件。例如，在压缩态叠加中，量子不确定性在状态的每个部分之间以不同的方式分布。实验依赖于单个被捕获离子的运动。被捕获的离子在一个平台上结合了两个不同的量子系统。它的内部状态表现得像一个 qubit，而它的运动则作为一个量子谐振子，可以占据许多不同的运动状态。这种组合使得被捕获的离子特别适用于创建超出常规 qubit 的量子态。为了生成新的状态，研究人员首先设计了使离子的内部状态与不同可能的运动状态纠缠的相互作用。然后，他们对内部状态进行了中环量子测量，导致离子的运动坍缩为所需的非经典组件叠加态。领导作者牛津大学物理系的塞巴斯蒂安·萨内尔博士解释道：“这种方法为我们提供了一个工具，可以将量子叠加塑造成几乎任何形状。” 对奇异量子态的可编程控制 新方法赋予团队对他们所产生的量子态高度的控制。通过调整实验参数，他们可以修改叠加态中组分的相对大小、方向和分离。这一灵活性使他们能够使用相同的被捕获离子系统创建各种不同的奇异运动量子态。随后，研究人员直接重构了量子态。他们的测量揭示了干涉图样和维格纳负区域——明确表明这些状态无法用普通的经典混合物来描述。这些观察确认了实验成功地产生了由真正非经典运动状态组成的真实量子叠加态。该团队现在与理论家合作，更好地理解这些新创造的状态到底有多“量子”。牛津大学物理系的拉哈文德拉·斯里尼瓦斯博士对这项工作的指导表示：“当我们向同事展示我们创造的东西时，他们的反应让我们感到非常振奋。我们相信我们仍然只是触及了可能性的表面，无论是针对实际应用，还是在更根本的层面理解这些状态。” 对量子计算的潜在影响 这项研究指向未来的量子技术，这些技术依赖于量子谐振子，而不仅仅是简单的量子比特。一种特别有前景的应用是量子计算。这些类型的状态可能对错误更具抗性，同时支持更简单和更有效的纠错策略。超越计算，它们提供了一个新的实验平台，用于研究物理学中最大的一个问题：我们体验的经典世界与潜在的量子世界之间的边界在哪里。