2026年6月3日——牛津大学的研究人员展示了一种新的量子叠加态家族，其中每个组成部分本身都是一种高度奇特的量子态——这一进展扩展了可用于量子计算、量子传感和量子纠错的工具箱。该研究成果已发表在《物理评论X》（Physical Review X）期刊上。

与经典物理学不同，量子力学允许物体同时存在于多个状态中。这一概念最著名的例证是薛定谔的猫：一个思想实验，设想猫在被观测之前既是活着又是死去的。虽然没有真正的猫会这样表现，但物理学家可以通过将原子、光或束缚粒子的运动同时置于两种不同的量子态中，来制造出这一效应的真实实验室等价物。

这种“猫态”最常见的版本使用被称为相干态的组成部分——即量子力学允许范围内行为最接近经典波包的量子波包。其类猫特性源于将两个沿相反方向位移的组成部分置于叠加态中。在这种标准图景下，两个组成部分本质上是在相空间中分离的相同类经典波包。

在这项新研究中，研究人员展示了一种方法，可以从广泛的高度非经典组成部分中创建叠加态，从而生成一类新的薛定谔猫态家族。这些组成部分不需要是彼此的简单位移复制品：它们可以在其内在量子结构上有所不同，例如它们的不确定性分布方式或它们在相空间中的取向。被带入叠加态的各个组成部分，包括压缩态、三压缩态或四压缩态，此前已经在同一离子阱平台上合成。新的进展在于，能够将它们相干地组合成可编程的薛定谔猫态叠加，并可控制每个部分的大小、取向和分离程度。

实验使用了一个被约束在离子阱中的88锶单离子。离子阱非常适合此类研究，因为它们在一个系统中结合了两种不同的量子子系统：离子的内部电子态充当量子比特，而离子沿阱运动的物理行为则类似于量子谐振子——一个能够占据许多不同量子态的系统。通过耦合这两个自由度，研究人员可以利用量子比特作为控制杠杆来塑造运动状态。

为了构建这些叠加态，研究团队首先应用了工程化设计的相互作用，将离子的内部状态与不同的可能运动状态纠缠起来。然后，对内部状态进行一次电路中的量子测量，将离子的运动投影到期望的叠加态中，从而在不干扰运动状态的情况下解除两个系统的纠缠。

论文第一作者Sebastian Saner博士解释说：“这种方法为我们提供了一种工具，可以将量子叠加态雕刻成几乎任何形状。我们产生的这些状态展现出旋转对称性，并形成引人注目的几何干涉图案。”

关键之处在于，该技术使研究人员能够进行可编程控制。通过调整实验参数，他们可以调节各个组成部分的相对大小、相位和分离程度，或者在不同类型的非经典状态之间切换——例如，在单个叠加态中组合一个压缩态和一个三压缩态。该方法之所以有效，是因为底层相互作用是幺正的：它们可以在单个实验序列中重复应用，而不会破坏中间状态。

研究团队通过一种称为“状态层析成像”的过程确认了他们所创造状态的性质，该过程通过一系列测量重建出完整的量子态。重建的状态在一种称为Wigner函数的数学表示中显示出干涉图案和负值区域——这些迹象表明这些状态是真正的量子态，无法被描述为普通的经典混合态。研究发现，在给定的平均能量下，新的叠加态比标准猫态或福克态展现出更强的量子资源性，这一特性与其在量子计算中的实用性相关。

这项工作的共同作者、同样来自牛津大学物理系的Raghavendra Srinivas博士也指导了此项研究，他说：“当我们向同事们展示我们的成果时，他们的反应真的让我们备受鼓舞。我们相信，无论是在实际应用方面，还是在更基础层面上理解这些状态方面，我们都只是触及了可能性的皮毛。”

这项工作为更丰富的连续变量量子技术开辟了一条道路，在这种技术中，信息被编码在谐振子式的自由度中，而不仅仅局限于两能级量子比特。这类状态可能成为玻色子量子纠错的有用资源，同时也为探索量子行为能在多大程度上超越我们熟悉的经典直觉提供了新的平台。

论文：生成非经典量子谐振子态的任意叠加态，S Saner等人，《物理评论X》，2026年6月3日。