量子力学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。这一概念通常由薛定谔的猫来说明，这是一只假设的猫，在被观察之前被认为既活着又死去。
虽然这个思想实验是虚构的，但科学家们在实验室中经常制造真实的量子叠加态。原子、光甚至运动都可以被置于多个量子态的叠加之中。产生和控制这些状态的能力对于量子计算机和超精密时钟等技术至关重要。
一个熟悉的例子是量子比特，它可以同时处于0和1的叠加态。然而，量子系统的能力远不止于双态行为。
可以占据多个能级的量子谐振子提供了丰富得多的可能性。这些谐振子描述了广泛的物理系统，包括光、振动以及被囚禁粒子的运动。科学家们已经利用它们创造了许多不同种类的量子叠加态。一个著名的例子是“猫态”，即谐振子以两个沿相反方向运动的波包的叠加形式存在。这些被称为相干态的波包，是与经典运动最接近的量子等价物。
从非经典组分构建量子态
牛津大学团队现已展示了一个全新的量子叠加态家族。
研究人员没有利用相干态波包构建类猫态，而是开发了一种技术，将广泛且已经高度非经典的量子组分结合起来。例如，在压缩态叠加中，量子不确定性在状态的各个部分分布不同。
该实验依赖于单个囚禁离子的运动。囚禁离子在一个平台上结合了两个独特的量子系统。其内部状态表现得像一个量子比特，而其运动则充当一个可以占据多种不同运动状态的量子谐振子。这种组合使得囚禁离子对于创造超越传统量子比特的量子态特别有用。
为了产生这些新状态，研究人员首先设计了相互作用，将离子的内部状态与不同的可能运动状态纠缠在一起。随后，他们对内部状态进行了中途量子测量，导致离子的运动坍缩为所需的非经典组分叠加态。
“这种方法为我们提供了一个工具，可以将量子叠加态塑造成几乎任何形状，”第一作者、牛津大学物理系的Sebastian Saner博士解释道。
奇异量子态的可编程控制
这种新方法使团队对他们产生的量子态拥有了高度的控制权。
通过调整实验参数，他们可以修改叠加态中各组分的相对大小、方向和间隔。这种灵活性使他们能够使用同一个囚禁离子系统创造出多种多样的异常运动量子态。
随后，研究人员直接重建了这些量子态。他们的测量揭示了干涉图样和维格纳负性区域——这些明确迹象表明，这些状态不能被描述为普通的经典混合态。这些观察结果证实，实验已成功产生了由真正的非经典运动状态组成的真实量子叠加态。
该团队目前正与理论家合作，以更准确地理解这些新创造的状态究竟有多“量子”。
“当我们向同事展示我们的成果时，他们的反应令我们深受鼓舞。我们相信，无论是对于实际应用，还是对于在更基础层面上理解这些状态，我们才刚刚触及可能性的表面，”监督这项工作的牛津大学物理系Raghavendra Srinivas博士说道。
对量子计算的潜在影响
这项研究指向了未来的量子技术，这些技术将依赖于量子谐振子，而不仅仅是简单的量子比特。
一个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具有更强的抵抗力，同时也支持更简单、更有效的纠错策略。除了计算，它们还为研究物理学最大的问题之一提供了一个新的实验平台：我们所经历的宏观经典世界与支配它的底层量子现实之间的界限在哪里。