量子力學又整新活了：物理學家制造出全新的薛定諤貓

1935年，奧地利物理學家薛定諤為了嘲諷量子力學，講了一個后來火遍全世界的故事。

一只貓被關在盒子里。

盒子里有放射性原子，有毒藥，還有一個隨機觸發(fā)裝置。

按照量子力學的規(guī)則，在你打開盒子之前，那顆原子既衰變了又沒衰變，于是貓也既活著又死了。

薛定諤本來是想說：

“你們這幫搞量子力學的是不是瘋了？”

結果沒想到后來物理學家認真了。

他們說：

“等等，也許貓真的可以同時處于兩種狀態(tài)。”

從那以后，“薛定諤貓”就成了量子世界最著名的符號。

而最近，牛津大學的研究人員又把這只貓折騰出了新花樣。

他們沒有制造一只新的量子貓。

他們直接創(chuàng)造了一整個新家族。

而且這些貓比傳統(tǒng)的薛定諤貓更加古怪。

傳統(tǒng)的薛定諤貓其實很簡單。

如果把量子系統(tǒng)看成一個擺鐘。

經(jīng)典世界里，它要么向左擺，要么向右擺。

而薛定諤貓態(tài)就是：

同時向左擺，又同時向右擺。

兩個狀態(tài)疊加在一起。

這就是最經(jīng)典的量子疊加。

量子計算機里的量子比特也是一樣。

普通計算機只能是0或者1。

量子比特可以同時是0和1。

聽起來很神奇。

但在量子力學眼里，這其實只是最基礎的玩法。

因為量子世界遠遠不止兩個狀態(tài)。

現(xiàn)實中的很多系統(tǒng)，本質上都可以被看成一種叫做“量子諧振子”的東西。

光場是。

原子的振動是。

晶體中的聲子是。

被困在電磁阱里的離子也是。

它們不像量子比特那樣只有兩個選擇。

而是擁有幾乎無限多的能級。

就像鋼琴只有88個琴鍵。

而量子諧振子是一架鍵盤長度無限延伸的鋼琴。

在這樣的系統(tǒng)里，量子態(tài)能夠玩出的花樣會突然多得嚇人。

過去幾十年里，科學家已經(jīng)制造出各種奇奇怪怪的量子貓態(tài)。

但大部分仍然建立在一種比較“經(jīng)典”的量子波包之上。

這些波包被稱為相干態(tài)。

它們已經(jīng)是最接近經(jīng)典物理的量子狀態(tài)。

某種程度上說：

傳統(tǒng)量子貓，其實是兩只比較正常的貓疊加在一起。

牛津團隊這次干的事情不一樣。

他們決定把貓本身也變得不正常。

于是他們選擇了一類叫做“壓縮態(tài)”的量子狀態(tài)。

什么叫壓縮態(tài)？

簡單來說。

量子世界有一個著名規(guī)則：

你不可能同時精確知道一個粒子的位置和動量。

不確定性永遠存在。

但你可以作弊。

把一個方向的不確定性壓縮一點。

代價是另一個方向變得更加模糊。

就像捏氣球一樣。

一邊變瘦。

另一邊一定會鼓起來。

這種被人為重新分配量子不確定性的狀態(tài)，就是壓縮態(tài)。

它比普通量子態(tài)更加敏感。

更加脆弱。

也更加非經(jīng)典。

如果說傳統(tǒng)薛定諤貓是：

左邊一只貓。

右邊一只貓。

同時存在。

那么牛津團隊制造的新狀態(tài)更像是：

兩只已經(jīng)被量子力學扭曲變形的貓。

然后再疊加到一起。

離譜程度直接升級。

為了實現(xiàn)這一點，他們使用了一種量子實驗里的老演員：

囚禁離子。

實驗對象只有一個原子。

但這個原子同時扮演兩個角色。

內部電子狀態(tài)充當量子比特。

原子的運動則充當量子諧振子。

于是一個小小的原子就變成了量子實驗室里的瑞士軍刀。

什么都能干。

研究人員先讓原子的內部狀態(tài)和運動狀態(tài)發(fā)生量子糾纏。

然后進行一次特殊測量。

這一步非常關鍵。

因為測量本身會改變量子態(tài)。

研究團隊利用這一點，像雕塑家一樣“雕刻”最終狀態(tài)。

論文第一作者Sebastian Saner形容得非常直接：

他們獲得了一種能夠隨意塑造量子疊加態(tài)形狀的工具。

什么意思？

意思是過去制造量子貓像是在流水線上生產。

形狀固定。

尺寸固定。

而現(xiàn)在變成了3D打印。

想捏成什么樣就捏成什么樣。

最有意思的是實驗結果。

研究人員重建了這些量子態(tài)的維格納函數(shù)。

這是量子物理里觀察量子態(tài)的一種方法。

如果一個狀態(tài)看起來很像經(jīng)典世界。

圖像會比較平滑。

如果里面存在真正的量子干涉。

就會出現(xiàn)一些詭異結構。

尤其是所謂的“負概率區(qū)域”。

注意。

這里不是真的負概率。

而是一種量子特有的數(shù)學特征。

只要出現(xiàn)它。

就說明這個系統(tǒng)已經(jīng)徹底脫離經(jīng)典世界。

進入純正量子領域。

而牛津團隊看到的正是這種結構。

而且異常明顯。

這說明他們創(chuàng)造出來的不是某種經(jīng)典噪聲混合物。

而是真正的新型量子疊加態(tài)。

從論文公布的圖像來看。

這些狀態(tài)甚至呈現(xiàn)出漂亮的六重旋轉對稱結構。

像雪花。

像曼陀羅。

又像某種來自外星文明的圖騰。

很難想象。

這些復雜圖案其實只是一個原子的運動狀態(tài)。

那么問題來了。

這東西有什么用？

難道只是為了制造更奇怪的量子貓？

當然不是。

量子計算最大的敵人一直都是噪聲。

量子態(tài)太脆弱了。

外界輕輕碰一下就崩。

所以整個量子計算領域幾十年來都在研究一件事：

怎么讓量子信息活得更久。

傳統(tǒng)方案是不斷增加量子比特數(shù)量。

靠冗余糾錯。

但這會讓系統(tǒng)越來越復雜。

成本越來越高。

而近年來一個重要方向開始崛起：

直接把信息編碼進復雜量子振蕩器。

利用特殊量子態(tài)自身的結構實現(xiàn)容錯。

這被很多人認為是未來量子計算的重要路線。

而牛津團隊創(chuàng)造的新型量子貓態(tài)。

恰恰屬于這一方向。

這些狀態(tài)擁有更豐富的結構。

理論上能夠承載更多信息。

同時提供更高效的糾錯能力。

換句話說。

未來量子計算機也許不再依賴大量普通量子比特。

而是依賴少量但極其復雜的量子振蕩器。

更重要的是。

這項工作還觸及了一個物理學最古老的問題。

量子世界和經(jīng)典世界之間到底隔著什么？

為什么電子可以同時出現(xiàn)在兩個地方。

而你不能同時出現(xiàn)在北京和上海？

為什么原子會疊加。

貓卻不會？

這個邊界究竟在哪里？

沒人知道。

過去幾十年里，科學家一直在試圖制造越來越大的量子疊加態(tài)。

因為每往前推進一步。

就離答案更近一步。

薛定諤當年提出那只貓的時候，大概不會想到。

90年后的人類不僅沒有放棄這只貓。

反而開始瘋狂繁殖。

先是兩只貓疊加。

后來三只貓疊加。

再后來出現(xiàn)四重壓縮、六重旋轉、各種花里胡哨的新貓。

如今牛津大學又創(chuàng)造出一個全新的量子貓家族。

這只貓已經(jīng)完全超出了薛定諤最初的想象。

但某種意義上說。

這正是量子物理最迷人的地方。

每當你覺得它已經(jīng)夠離譜的時候。

它總能告訴你：

不，還有更離譜的。

參考文獻

Saner, S., Bazavan, O., Srinivas, R. et al. Generating Arbitrary Superpositions of Nonclassical Quantum Harmonic Oscillator States. Physical Review X (2026).

DOI: 10.1103/k1xk-yt42

University of Oxford, Department of Physics (2026). Physicists create new family of Schr?dinger-cat states.

Physical Review X, American Physical Society.