牛津物理學家讓薛丁格的貓變得更奇怪

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。這個概念通常用薛丁格的貓來說明，這是一隻虛擬的貓，在被觀察之前既是活的又是死的。

儘管思想實驗是虛構的，但科學家經常在實驗室中創造出真實的量子疊加態。原子、光，甚至運動都可以同時進入多個量子態。產生和控制這些狀態的能力對於量子電腦和超精密時鐘等技術至關重要。

一個熟悉的例子是量子位，或量子位元，它可以同時以 0 和 1 的組合存在。然而，量子系統不僅僅具有兩種狀態的行為。

量子諧振子可以佔據許多能階，提供了更豐富的可能性。這些振盪器描述了廣泛的物理系統，包括光、振動和捕獲粒子的運動。科學家用它來創造不同類型的量子疊加。一個眾所周知的例子是“貓狀態”，其中振盪器作為兩個沿相反方向移動的波包的疊加而存在。這些波包稱為相干態，它們是最接近經典運動的量子方程式。

從非經典成分建構量子態

牛津大學團隊現在展示了一個全新的量子疊加族。

研究人員開發了一種技術，結合了各種已經高度非經典的量子成分，而不是從具有相干態的波包構建類似貓的狀態。例如，在緊緻態疊加的情況下，量子不確定性在狀態的每個部分上分佈不同。

該實驗基於單一捕獲離子的運動。被捕獲的離子將兩個不同的量子系統組合成一個平台。它的內部狀態表現得像一個量子位，而它的運動則像一個量子諧振子，可以佔據許多不同的動力學狀態。這種組合使得捕獲離子對於創建超越傳統量子位元的量子態特別有用。

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的潛在運動狀態連結起來的相互作用。然後，他們對內部狀態進行了中圓量子測量，將離子的運動壓縮成所需的非經典分量的疊加。

「這種方法為我們提供了一種工具，可以將量子疊加塑造成幾乎任何形狀，」主要作者 Sebastian Sanner 博士（牛津大學物理系）解釋道。

奇異量子態的可程式控制

新方法使團隊能夠高度控制他們產生的量子態。

透過調整實驗參數，他們能夠修改疊加內組件的相對尺寸、方向和分離。這種靈活性使他們能夠使用相同的捕獲離子系統來創建各種不尋常的動力學量子態。

研究人員隨後直接重建了量子態。他們的測量揭示了乾涉圖案和韋格納負性區域，清楚地表明這些狀態不能被描述為普通的經典混合物。這些觀察結果證實，該實驗成功地產生了由真正的非經典動力學狀態組成的真正的量子疊加態。

該團隊現在正在與理論家合作，以更好地理解這些新創建的狀態如何是「量子」的。

「當我們向同事展示我們的成果時，我們對他們的反應感到非常鼓舞，」負責這項工作的 Raghavendra Srinivas 博士（牛津大學物理系）說道。 “我們相信，無論是對於實際應用還是在更基礎的層面上理解這些案例，我們仍然只觸及了可能性的表面。”

對量子計算的潛在影響

該研究指出未來的量子技術依賴量子振盪器而不僅僅是簡單的量子位元。

一種特別有前景的應用是量子計算。這些類型的實例可能更容易出錯，同時也支援更簡單、更有效的偵錯策略。除了計算之外，它們還提供了一個新的實驗平台，用於研究物理學最大的問題之一：我們所經歷的經典世界與支配它的基本量子現實之間的界限在哪裡。