牛津大学的物理学家在被困离子实验中制备出一类此前未被实现的“猫态”量子叠加，为探索更具鲁棒性的量子计算与精密测量方案提供了新的实验路径。相关成果发表于本月的《Physical Review X》期刊。

新型“猫态”首次在实验中实现

研究团队表示，与经典物理不同，量子力学允许物体同时处于多个状态，这一概念通常以“薛定谔的猫”作为示例：在被观测之前，猫被设想为同时处于“生”与“死”的叠加状态。

在实验室中，物理学家可以通过操控原子、光场或微观运动，将其制备在两个不同量子态的叠加中，从而实现这一效应的可控版本。此类叠加态是量子技术的基础，应用范围包括量子计算和高精度计时等。

此前，量子“猫态”已在量子谐振子系统中实现，主要基于Fock态、位移态或Gottesman–Kitaev–Preskill（GKP）态等构建。理论上还曾提出一类宏观叠加态：通过沿正交轴对谐振子进行挤压，使其在不同部分同时表现出位置方差大于和小于海森堡极限的特性，但这一类态一直未在实验中实现。

在最新研究中，Sebastian Saner博士及其合作者在一种被困离子混合自旋–谐振子系统中，实验实现了这类此前仅为理论构想的“薛定谔猫的兄弟态”。

由“非经典成分”构成的叠加

与传统由相干态波包构成的猫态不同，该团队展示了一种由高度非经典成分构成的量子叠加态。

研究人员介绍，在量子谐振子中，系统可以占据多个能级，因而可构造出远超简单量子比特（仅在0和1叠加之间）的复杂量子态。量子谐振子可描述包括光、振动以及被困粒子运动在内的多种物理系统，长期以来被用作制备多种量子叠加态的平台。

传统猫态通常由两个相反方向位移的相干态波包叠加而成，相干态被认为是最接近经典运动的量子态表现。而在此次工作中，团队没有采用相干态作为“基元”，而是发展出一种方法，从一系列本身就高度非经典的成分出发构造叠加态。

研究中提到的挤压态叠加便是一个例子：在这些态中，量子不确定性在态的不同部分被重新分配，从而在同一体系中呈现出截然不同的量子涨落特征。

被困离子提供量子态工程平台

实验采用单个被困离子的运动作为实现平台。研究人员解释，被困离子系统同时具备两类量子自由度：其内部能级可视作类似量子比特的两能级系统，而其平动运动则表现为量子谐振子，可占据多种运动状态。这种“自旋–运动”混合结构，使被困离子成为开展超越普通量子比特的量子态工程的有力工具。

在具体操作上，团队首先通过工程化的相互作用，将离子的内部状态与不同的运动状态纠缠起来。随后，对内部状态实施中途量子测量，将离子的运动部分投影到预先设计的非经典成分叠加态中。

Saner博士表示，这一方法为“几乎任意塑造量子叠加态的形状”提供了工具。通过调整实验参数，研究人员可以编程式地控制所制备态的结构，包括改变各个成分的相对权重、相对旋转以及在相空间中的分离程度，从而在同一被困离子系统中生成多种不同的奇异运动叠加态。

直接重建量子态并验证“非经典性”

团队还对所制备的量子态进行了直接重建。重建结果显示出明显的干涉条纹以及Wigner函数中的负值区域。研究人员指出，这些特征表明这些量子态无法用普通的经典混合态加以描述，是其具有真正非经典运动特性的标志。

作者目前正与理论物理学家合作，以更精确地量化这些态的“量子性”程度。

同样来自牛津大学的Raghavendra Srinivas博士表示，当研究团队向同行展示这些结果时，收到了积极反馈。他称，无论是在潜在应用方面，还是在对这类态本身的进一步理解方面，目前的工作“只是触及了可能性的表面”。

据介绍，该研究以“生成任意非经典量子谐振子态的叠加”为题，发表于2026年《Physical Review X》16卷021049号，doi: 10.1103/k1xk-yt42。