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突破薛丁格的貓！牛津大學發表全新非經典量子疊加態，開啟連續變數量子運算與感測新紀元

圖靈學院編輯部
2026-6-18

導言：超越經典物理的「新型量子貓」

 

    在量子力學的百年歷史中，奧地利物理學家埃爾溫·薛丁格（Erwin Schrödinger）提出的「薛丁格的貓」無疑是最具代表性的思想實驗 。它用一隻同時處於「生」與「死」疊加態的貓，生動地描述了微觀量子系統在未經觀測前的奇妙特性 。如今，一項發表於頂尖物理學期刊《Physical Review X》的最新研究，將這個思想實驗帶入了全新維度。英國牛津大學克拉倫登實驗室（Clarendon Laboratory）的物理學團隊成功利用「非經典且非高斯（Non-Gaussian）」的量子建構模組，創造出了一類前所未有的新型量子疊加態 。這項研究不僅打破了過去量子疊加態只能由傳統「相干態（Coherent states）」或有限的「福克態（Fock states）」構成的局限，更首次在實驗中實證了「三壓縮態（Trisqueezed states）」與「四壓縮態（Quadsqueezed states）」的任意疊加 。這項進展不僅具有基礎物理學的重大意義，更為未來的連續變數量子運算（Continuous-variable quantum computation）、量子纠錯架構（Quantum error correction）以及高精度量子感測，提供了極具潛力的技術支撐 。

 

一、 量子諧振子的無限潛力：為何傳統 Qubit 不夠用了？

 

    要理解牛津大學這項研究的突破性，首先必須明白傳統量子位元（Qubit）與量子諧振子（Quantum Harmonic Oscillator）之間的差別。目前主流的量子電腦（如 IBM、Google 的超導晶片）大多基於傳統的「二能級系統」 。這種系統就像一組開關，只能處於 0 和 1 的疊加態 。雖然科學家已經能對其進行極高精度的控制，但它們最終只有兩個自由度（複數機率的相對振幅與相位），這大大限制了單一載體能儲存的量子資訊量，也讓量子糾錯（防止環境雜訊干擾）變得無比沉重。

 

    相反地，量子諧振子是一個擁有「無限維度」的希爾伯特空間(Hilbert space) 。只要能對其進行全面相干控制，它就能以極高的資源效率實現複雜的纠錯協議和量子模擬 。過去，科學家在諧振子中創造的疊加態，大多被侷限於：

 

1. 福克態疊加：僅限於兩個或三個離散能量狀態的疊加。

2. 傳統貓態：由經典的「相干態」（Coherent State）組成的疊加態。

3. 高斯態疊加：如位移壓縮態（Displaced squeezed states），演變成有名的 GKP（Gottesman-Kitaev-Preskill）量子糾錯碼。

 

    然而，要創造任意「非高斯（Non-Gaussian）壓縮態」的疊加，在過去一直是不可能的任務，因為物理界長期缺乏一種足夠強大且天然的非線性交互作用來驅動這種狀態的生成。

 

二、 實驗核心解密：混合系統與「電路中途測量」

 

    牛津大學的研究團隊（由 S. Saner 與 R. Srinivas 等物理學家領銜）克服了這項瓶頸 。他們採用了一種混合振盪器-自旋系統（Hybrid oscillator-spin system）。在其實驗室中，核心硬體是一個三維鮑爾阱（Paul trap），裡面捕捉了一顆鍶離子（⁸⁸Sr⁺）。這顆離子在陷阱中的「軸向運動（頻率達 1.2 MHz）」扮演了量子諧振子的角色；而離子內部的電子能級結構則充當自旋（Qubit/Qutrit）系統 。透過兩束波長為 674 nm 的雷射，團隊將這兩種截然不同的量子自由度強烈地耦合在一起 。這項研究的關鍵創新，在於將自旋相關的非線性交互作用與電路中途自旋測量（Midcircuit spin measurements）進行交叉編排 ：

 

1. 製備自旋疊加：首先利用雷射脈衝讓自旋處於疊加態。

2. 非線性相互作用：驅動特定階數（k 階）的非線性耦合 。當 k=2時產生傳統的「壓縮交互作用」；當 k=3或4時，則分別產生更高階的「三壓縮（Trisqueezing）」與「四壓縮（Quadsqueezing）」交互作用 。這會引發自旋與諧振子運動狀態的高度糾纏。

3. 中途測量與坍縮（Herald）：這一步是技術精髓。團隊在電路中途對自旋進行非破壞性測量 。當偵測到特定自旋狀態（例如暗狀態 |1_s 〉）時，自旋會與諧振子的運動解糾纏 。此時，諧振子就會以機率性的方式坍縮並宣告（Herald）成功製備出目標的奇數或偶數非經典疊加態。

 

    由於這種交互作用是「么正（Unitary）」的，它不會破壞中間狀態，因此團隊可以在單一序列中重複、串聯應用（Concatenate）這種非線性交互作用，從而像積木一樣建構出任意複雜度的量子態。

 

三、 突破性成果：首度觀測到「八折對稱」與高 Wigner 負值

 

    利用這套可串聯的實驗協議，研究團隊取得了驚人的成果。他們不僅成功創造出傳統的壓縮態疊加，更在世界上首次實驗展示了三壓縮與四壓縮狀態的任意疊加態 。為了直觀地觀測這些狀態的非經典本質，研究團隊透過複雜的狀態斷層掃描（State tomography），完整重建了量子態的 Wigner 準機率分佈函數（Wigner function）。

 

結果令人讚嘆：

 

• 高階幾何對稱性：在四壓縮疊加態的 Wigner 圖形中，展現出了完美的八折旋轉對稱性（Eightfold rotational symmetry）與環狀干涉條紋。

• 極高的 Wigner 負值（Wigner Negativity）：Wigner 函數出現負值，是微觀物體具備「非經典」特性的最直接、最具說服力的鐵證 。定量分析顯示，在相同的平均聲子數下，這類新型疊加態所具備的「Wigner 對數負值（WLN）」顯著超越了傳統的福克態或相干貓態 。

 

    更進一步，團隊將自旋空間擴展至三能級系統（Qutrit），成功實現了將一個壓縮態（k=2）與一個三壓縮態（k=3）融合在一起的任意疊加態 ，甚至透過加入額外的位移操作，創造出了「由壓縮疊加態組成的空間分離貓態」，展現了無與倫比的全面相干控制力 。

 

四、 科學評論：此項研究的重大突破點

 

    這篇發表於《Physical Review X》的論文之所以引起量子物理界的廣泛關注，主要在於它解決了長久以來的核心痛點，實現了三大典範轉移：

 

1. 從「經典建構模組」到「強烈非經典建構模組」

 

    過去的「薛丁格貓態」多是用相干態(本質上是最接近經典物理的狀態）來疊加 。而這項研究直接使用本身就具有強烈量子特性的壓縮態或非高斯態作為基礎去堆疊 。這意味著我們能造出「更具量子味、更複雜」的超級貓態，其資訊容量與非經典特性都呈指數級上升。

 

2. 完美的任意控制度（Arbitrary Coherent Control）

 

    該技術賦予了實驗人員獨立調節各個疊加分量的複數機率振幅、相位、相互之間的空間分離度，甚至可以自由組合不同階數的非線性交互作用 。這種「想怎麼捏，就怎麼捏」的量子態塑造能力，是過去技術無法企及的。

 

3. 指出單一量子指標的局限性

 

    在論文中，團隊發現傳統用於評估量子態質量的單一數字指標（如 Hilbert-Schmidt 保真度）在面對這類高維、混合的非高斯量子態時，已顯得捉襟見肘 。雖然數值對比不完美，但其標誌性的幾何結構依然清晰 。這大膽地提醒了量子資訊界：我們需要超越單一數字的新一代量子態質量評估標準。

 

五、 長遠影響：未來三大應用願景

 

    牛津大學這項革命性的技術，絕非僅僅是物理學家的「實驗室玩具」，它將為整個量子科技產業帶來深遠的連鎖反應：

 

1. 跨越式的量子纠錯：更強韌的邏輯量子位元

 

    在量子運算中，最大的敵人就是環境雜訊導致的資訊出錯。傳統貓態在失去一個聲子（量子能量最小單位）時，會發生不可挽回的「位元翻轉錯誤（Bit-flip error）」 。然而，新研究指出，這類具有高階旋轉對稱性的壓縮疊加態，其非零福克態的分布間隔高達 2k 。當它發生單個聲子丟失時，整個量子態會被投影到編碼空間之外 。這意味著錯誤變得完全可偵測且可修正 。這將大大降低連續變數量子電腦在硬體層面的糾錯開銷。

 

2. 打破經典運算壁壘：無法被模擬的量子優勢

 

    大維度的 Wigner 負值是量子運算展現超越經典電腦（量子優勢）的必要條件。由於這類狀態具備極高的 Wigner 負值，它們在經典電腦上幾乎是完全無法被有效模擬的 。這為基於連續變數的量子演算法、量子模擬器提供了強大的「燃料」。

 

3. 終極量子感測與微型力學測試

 

    這類對環境變化極度敏感的壓縮疊加態，是非常完美的「位移傳感器」。在離子阱系統中，它能用來偵測極其微弱的電場、力場或頻率漂移。更長遠來看，此協議能推廣到如超導電路、奈米懸臂樑、甚至是光鑷中的原子等更宏觀、質量更大的諧振子系統中。這將讓科學家有機會在更重的尺度上，測試量子力學與廣義相對論（引力）之間的神祕邊界。

 

結論與展望

 

    牛津大學物理團隊的這項成就，無疑在量子的希爾伯特空間中開闢了一條通往未知領域的高速公路。他們用精準的雷射與高超的電路設計，將薛丁格的思想實驗推進到了非高斯壓縮態的自由疊加新高度。隨著這項技術在各類硬體平台（如超導或光學系統）上的普及，我們或許正在見證下一代更穩定、更強大的量子運算與感測架構的誕生 。這隻新型的「量子貓」，正引領著我們走向一個充滿無限可能的連續變數量子未來。

 

 

參考文獻
S. Saner et al., "Generating Arbitrary Superpositions of Nonclassical Quantum Harmonic Oscillator States," Physical Review X 16, 021049 (2026).