牛津大学物理学家利用本身具有高度量子特性的组件，制备出了一种全新的类薛定谔猫量子态。这一进展有望为构建更具韧性的量子计算机开启新的可能性，并有助于更深入地理解支配量子宇宙的奇异法则。
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。这一概念通常由薛定谔的猫来阐释，即一只假设的猫在被观测之前被认为既处于生状态也处于死状态。
虽然这个思想实验是虚构的，但科学家们经常在实验室中创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高精度时钟等技术至关重要。
一个为人熟知的例子是量子比特，或称量子位，它可以同时处于0和1的叠加状态。然而，量子系统的能力远不止于这种二态行为。
量子谐振子能够占据多个能级，提供了更为丰富的可能性。这些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。
由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，将范围广泛且已具有高度非经典性的量子组分进行组合。例如，在压缩态叠加中，量子不确定性在状态的每一部分中的分布是不同的。
该实验依赖于单个被俘获离子的运动。被俘获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。这种组合使得被俘获离子对于创造超越传统量子比特的量子态尤为有用。
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。然后，他们对内部状态进行了中途量子测量，迫使离子的运动坍缩为由非经典组分构成的所需叠加态。
“这种方法赋予了我们一种工具，可以将量子叠加态‘雕刻’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
这种新方法使团队能够高度控制他们所产生的量子态。
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、方向和间距。这种灵活性使他们能够利用同一套被俘获离子系统创造出多种奇异的运动量子态。
随后，研究人员直接重构了这些量子态。他们的测量结果揭示了干涉图案和维格纳负性区域——这些明确迹象表明，这些状态无法被描述为普通的经典混合物。这些观测结果证实，实验已成功产生了由真正的非经典运动态构成的 genuine quantum superpositions。
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”。
“当我们向同事们展示我们的成果时，他们的反应令我们深受鼓舞。我们相信，无论是在实际应用方面，还是在更基础的层面上理解这些状态，我们仍仅触及了可能性的皮毛，”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依赖量子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，它们还为探索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究竟在哪里。