牛津大學的研究人員創造了一種新型量子疊加態，這種現象常與著名的薛丁格的貓思想實驗聯繫在一起。與先前版本不同的是，這些新展示的狀態是由高度非經典的量子元件構建的。這項成就可能幫助量子計算超越傳統的二進位系統，改進感測技術，並為量子物理學的基礎提供新的見解。
量子力學最令人驚訝的特徵之一是物體可以同時存在於多種狀態。這個概念通常以薛丁格的貓來闡述，一隻假設的貓在被觀察之前，同時被認為是活著和死了的。
雖然這個思想實驗是虛構的，但科學家們在實驗室裡例行地創造真實的量子疊加態。原子、光甚至運動都可以同時進入多種量子狀態。產生和控制這些狀態的能力對於量子計算機和超精確時鐘等技術至關重要。
一個熟悉的例子是量子位元，或稱量子位（qubit），它可以同時存在於 0 和 1 的組合中。然而，量子系統的能力遠不止於二狀態行為。
量子諧振子可以佔據多個能量級，提供了更豐富的可能性。這些諧振子描述了廣泛的物理系統，包括光、振動和被捕獲粒子的運動。科學家們利用它們創造了許多不同種類的量子疊加態。一個眾所周知的例子是「貓態」，其中一個諧振子作為兩個朝相反方向運動的波包的疊加態存在。這些被稱為相干態的波包，是與經典運動最接近的量子對等物。
從非經典元件構建量子狀態
牛津團隊現在已經展示了一系列全新的量子疊加態。
研究人員沒有從相干態波包構建類似貓的狀態，而是開發了一種技術，該技術結合了一系列已經高度非經典的量子元件。例如，在壓縮態疊加中，量子不確定性在狀態的每個部分以不同的方式分佈。
實驗依賴於單一被捕獲離子的運動。被捕獲的離子將兩個不同的量子系統結合在一個平台上。其內部狀態表現得像一個量子位，而其運動則作為一個可以佔據多種不同運動狀態的量子諧振子。這種組合使得被捕獲的離子在創造超越傳統量子位的量子狀態方面特別有用。
為了產生新的狀態，研究人員首先設計了將離子的內部狀態與不同可能的運動狀態糾纏起來的相互作用。然後，他們對內部狀態進行了中途量子測量，導致離子的運動坍縮成所需的非經典元件疊加態。
「這種方法為我們提供了一種工具，可以將量子疊加態塑造成幾乎任何形狀，」首席作者、牛津大學物理系的 Sebastian Saner 博士解釋說。
異種量子狀態的可程式化控制
這種新方法使團隊能夠高度控制他們產生的量子狀態。
通過調整實驗參數，他們可以改變疊加態中各個元件的相對大小、方向和分離。這種靈活性使他們能夠使用相同的被捕獲離子系統創造出各種不同尋常的運動量子狀態。
隨後，研究人員直接重建了量子狀態。他們的測量揭示了干涉圖案和 Wigner 負值區域——這清楚地表明這些狀態無法被描述為普通的經典混合物。這些觀察證實了實驗成功地產生了由真正非經典運動狀態組成的真實量子疊加態。
該團隊目前正與理論家合作，以更確切地了解這些新創造的狀態有多「量子」。
「當我們向同事展示我們所做的東西時，他們的回應讓我們深受鼓舞。我們相信，無論是對於實際應用，還是對於更基礎層面上的理解這些狀態，我們都才剛剛開始觸及可能性的表面，」負責監督這項工作的牛津大學物理系的 Raghavendra Srinivas 博士說。
對量子計算的潛在影響
這項研究指向了未來依賴量子諧振子而非僅僅簡單量子位的量子技術。
一個特別有前途的應用是量子計算。這些類型的狀態可能對錯誤的抵抗力更強，同時也支持更簡單、更有效的錯誤校正策略。除了計算之外，它們還為研究物理學最大的問題之一提供了新的實驗平台：我們所經歷的經典世界與支配它的潛在量子現實之間的界限在哪裡。