参考消息网7月16日报道　据西班牙《趣味》月刊网站6月16日报道，一个世纪以来，量子力学一直通过看似不可能的现象挑战着我们的直觉。其中最引人注目的是叠加态：粒子或系统能够同时处于多种状态，直到测量（观察）发生之后，才迫使其选择其中的一种。没有哪个例子比著名的“薛定谔的猫”更能象征这一概念了。根据1935年提出的思想实验，这只虚构的生物在无人观察结果时，会同时处于“活着”和“死亡”的状态。

  尽管这只猫的形象已成为科普领域的标志性符号，但在现代实验室中，这些叠加态绝非简单的哲学奇谈。它们构成了量子计算、先进计量学以及众多新兴技术的重要支柱。这些现象越复杂、可控性越强、稳定性越高，就越有可能研制出能够突破传统计算限制的设备。

  扩展配置范围

  牛津大学的一个物理学家团队朝着这一方向迈出了重要一步。据美国《物理评论X》杂志报道，他们开发出了一类新型的奇异量子配置，显著扩展了迄今为止可用的量子配置范围。他们不仅制造出了一个新的“薛定谔的猫”，更展示了一种定制设计非经典叠加态的策略，这一突破可能对量子物理学的多个领域产生深远影响。

  “薛定谔猫态”通常是通过将同一系统的两种不同量子状态进行组合而产生的。在过去的几十年里，这一概念已成为存储量子信息并保护其免受某些错误影响的重要工具。

  然而迄今为止，大多数实验使用的“原料”相对有限。这些构造基于传统的相干态，或是已知量子效应的简单组合。

  这项新研究突破了这一限制。科学家利用被电磁场捕获的锶离子，将其运动与内部能级耦合起来，从而构建出性质更为丰富的叠加态。通过一系列非线性相互作用以及经过精心控制的中间测量，他们成功产生了迄今为止仅在理论上研究过的量子特征组合。

  其中包括广泛应用于精密计量学的“压缩态”，以及更复杂的“三阶压缩态”和“四阶压缩态”。后者属于非高斯状态，因其展现出更强烈的量子特性且难以通过经典方法再现，因而具有特别重要的价值。

  该实验的核心在于一种将量子纠缠与量子测量以独特而巧妙的方式相结合的程序。物理学家利用单个囚禁离子作为实验平台，并将该离子的内部状态与粒子的振荡运动耦合起来。随后，他们实施了一系列精心校准的操作，从而塑造了最终的波函数。

  开拓实验领域

  真正具有创新意义的是，该方法不仅限于生成单一类别的量子态。该方法能够构建不同非经典系统的任意叠加态，而此前要以可控方式实现这一点极为困难。实际上，科学家展示了一套用于定制设计量子架构的“工具箱”。

  该研究中非常引人注目的例子之一就是在同一量子架构内创建结合了“压缩态”和“三阶压缩态”的叠加态。这不仅仅是为了构建一个比传统“薛定谔的猫”更复杂的版本，更是为了开拓一个全新的实验领域。

  为了验证所获得的态是否确实具有预期的性质，研究团队重建了其维格纳函数（一种常用于可视化复杂量子系统的数学表示）。

  在此类分析中，有一个特别重要的特征：负值区域的出现。虽然经典分布只允许正值，但维格纳函数可能会显示负值区域，这正是量子行为的明确标志。

  牛津大学获得的新结构不仅展现了这些区域，而且其负值程度甚至超过了许多能量相当的传统“薛定谔的猫”模型，这表明其具有深层次的量子特性。换言之，它们与经典行为的差异甚至比迄今为止研究最深入的某些量子系统更为显著。

  量子计算的前景取决于能否在足够长的时间内保持极其脆弱的信息。任何外部干扰都可能引入导致计算失真的错误。正因如此，当前的大部分研究都致力于寻找更抗干扰的量子资源和更有效的纠错方法。“薛定谔猫态”在此领域已发挥重要作用，但牛津大学开发出的这一新“猫态”可能显著拓宽可用资源的范围。

  这些架构中存在的额外对称性让我们得以设想出更复杂的量子编码，而这些编码在面对特定类型的噪声时可能更具鲁棒性。尽管这目前仍是一个理论视角，但该研究为未来的量子计算平台指明了一个极具前景的方向。

  作者还强调，该方法的灵活性有助于设计适用于具体任务的资源，从信息处理到超高精度计量学，乃至能够检测环境中极微小变化的传感器。

  除了潜在的技术应用外，这项研究还为探索基础物理学中一些最深奥的问题提供了一种新工具。几十年来，科学家们一直试图弄清楚量子行为与我们日常生活中所体验的经典世界之间的界限究竟在哪里。

  提供更新框架

  “薛定谔猫态”系统在这项探索中占据着独特地位，因为它们代表了截然不同的配置的叠加态。这些构造越复杂、越极端，就越有助于通过分析它们来探究经典现实如何从量子定律中产生。

  牛津大学开发的新策略极大地拓宽了可选范围，不再局限于少数几种具体配置，而是能够生成整类具有可调节几何结构、对称性和性质的非经典系统。对许多物理学家而言，这种灵活性可能成为与经典版“薛定谔的猫”同样重要的实验室资源。另一个非常有趣的方面是，该策略似乎并不局限于被捕获的离子。作者指出，这种方法同样可以适应量子研究中广泛使用的其他实验平台，例如超导电路、腔体和光学钳、机械谐振器，甚至悬浮的纳米粒子。

  这种通用性至关重要。如果该方法能够应用于截然不同的物理系统，其潜在影响将远远超出牛津大学的研究范畴，并在未来几年内对量子技术的多个分支产生深远影响。

  或许最引人深思的结果还远未显现。研究人员指出，该方法的未来版本或可用于在体积越来越大、结构越来越复杂的系统中创造叠加现象。这种情景将为以前所未有的细节水平研究量子行为如何消失、经典现实如何显现开辟道路。

  新型“薛定谔的猫”虽无法在一夜之间彻底改变量子计算，但切实拓宽了研究中可利用的可能性范围，为保护量子信息提供了新策略，并为探索科学界已知的某些最奇异现象提供了一个多功能的框架。（编译/刘丽菲）