量子力学最令人惊讶的特征之一是物体可以同时处于多种状态。这一概念通常用薛定谔的猫来说明，这是一只假想的猫，在被观测之前被认为既活着又死了。
虽然这个思想实验是虚构的，但科学家们经常在实验室中制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。产生和控制这些状态的能力对于量子计算机和超高精度时钟等技术至关重要。
一个熟悉的例子是量子比特，它可以在同一时间以0和1的组合形式存在。然而，量子系统的能力远不止于二态行为。
量子谐振子可以占据许多能级，提供了更加丰富的可能性。这些谐振子描述了广泛的物理系统，包括光、振动以及被俘获粒子的运动。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”，即一个谐振子以两个沿相反方向运动的波包的叠加形式存在。这些波包被称为相干态，是与经典运动最接近的量子对应物。
利用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，将广泛且已高度非经典化的量子组分结合在一起。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截然不同的量子系统。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许多不同运动态的量子谐振子。这种组合使得囚禁离子对于创造超越常规量子比特的量子态特别有用。
为了产生这些新状态，研究人员首先构建了将离子内部状态与不同可能的运动态纠缠在一起的相互作用。然后，他们对内部状态进行了线路中途量子测量，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种工具，可以将量子叠加态塑造成几乎任何形状，”第一作者塞巴斯蒂安·萨纳博士（牛津大学物理系）解释道。
奇异量子态的可编程控制
这种新方法使团队能够高度控制他们产生的量子态。
通过调整实验参数，他们可以修改叠加态内各组分的相对大小、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各种不寻常的运动量子态。
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案和维格纳负性区域——这些是该状态无法被描述为普通经典混合物的明确迹象。这些观察结果证实，实验成功产生了由真正非经典运动态组成的真正量子叠加态。
该团队目前正与理论学家合作，以更好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，他们的反应让我们深受鼓舞。我们相信，无论是对于实际应用还是对于在更基础的层面上理解这些状态，我们才刚刚触及可能性的皮毛，”指导这项工作的拉加文德拉·斯里尼瓦斯博士（牛津大学物理系）说。
对量子计算的潜在影响
这项研究指向了未来依赖量子谐振子而不仅仅是简单量子比特的量子技术。
一个特别有前景的应用是量子计算。这类状态可能更能抵抗错误，同时也支持更简单、更有效的纠错策略。除了计算之外，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：我们所体验的经典世界与支配它的底层量子现实之间的界限在哪里。