量子力学又整新活了：物理学家制造出全新的薛定谔猫

1935年，奥地利物理学家薛定谔为了嘲讽量子力学，讲了一个后来火遍全世界的故事。

一只猫被关在盒子里。

盒子里有放射性原子，有毒药，还有一个随机触发装置。

按照量子力学的规则，在你打开盒子之前，那颗原子既衰变了又没衰变，于是猫也既活着又死了。

薛定谔本来是想说：

“你们这帮搞量子力学的是不是疯了？”

结果没想到后来物理学家认真了。

他们说：

“等等，也许猫真的可以同时处于两种状态。”

从那以后，“薛定谔猫”就成了量子世界最著名的符号。

而最近，牛津大学的研究人员又把这只猫折腾出了新花样。

他们没有制造一只新的量子猫。

他们直接创造了一整个新家族。

而且这些猫比传统的薛定谔猫更加古怪。

传统的薛定谔猫其实很简单。

如果把量子系统看成一个摆钟。

经典世界里，它要么向左摆，要么向右摆。

而薛定谔猫态就是：

同时向左摆，又同时向右摆。

两个状态叠加在一起。

这就是最经典的量子叠加。

量子计算机里的量子比特也是一样。

普通计算机只能是0或者1。

量子比特可以同时是0和1。

听起来很神奇。

但在量子力学眼里，这其实只是最基础的玩法。

因为量子世界远远不止两个状态。

现实中的很多系统，本质上都可以被看成一种叫做“量子谐振子”的东西。

光场是。

原子的振动是。

晶体中的声子是。

被困在电磁阱里的离子也是。

它们不像量子比特那样只有两个选择。

而是拥有几乎无限多的能级。

就像钢琴只有88个琴键。

而量子谐振子是一架键盘长度无限延伸的钢琴。

在这样的系统里，量子态能够玩出的花样会突然多得吓人。

过去几十年里，科学家已经制造出各种奇奇怪怪的量子猫态。

但大部分仍然建立在一种比较“经典”的量子波包之上。

这些波包被称为相干态。

它们已经是最接近经典物理的量子状态。

某种程度上说：

传统量子猫，其实是两只比较正常的猫叠加在一起。

牛津团队这次干的事情不一样。

他们决定把猫本身也变得不正常。

于是他们选择了一类叫做“压缩态”的量子状态。

什么叫压缩态？

简单来说。

量子世界有一个著名规则：

你不可能同时精确知道一个粒子的位置和动量。

不确定性永远存在。

但你可以作弊。

把一个方向的不确定性压缩一点。

代价是另一个方向变得更加模糊。

就像捏气球一样。

一边变瘦。

另一边一定会鼓起来。

这种被人为重新分配量子不确定性的状态，就是压缩态。

它比普通量子态更加敏感。

更加脆弱。

也更加非经典。

如果说传统薛定谔猫是：

左边一只猫。

右边一只猫。

同时存在。

那么牛津团队制造的新状态更像是：

两只已经被量子力学扭曲变形的猫。

然后再叠加到一起。

离谱程度直接升级。

为了实现这一点，他们使用了一种量子实验里的老演员：

囚禁离子。

实验对象只有一个原子。

但这个原子同时扮演两个角色。

内部电子状态充当量子比特。

原子的运动则充当量子谐振子。

于是一个小小的原子就变成了量子实验室里的瑞士军刀。

什么都能干。

研究人员先让原子的内部状态和运动状态发生量子纠缠。

然后进行一次特殊测量。

这一步非常关键。

因为测量本身会改变量子态。

研究团队利用这一点，像雕塑家一样“雕刻”最终状态。

论文第一作者Sebastian Saner形容得非常直接：

他们获得了一种能够随意塑造量子叠加态形状的工具。

什么意思？

意思是过去制造量子猫像是在流水线上生产。

形状固定。

尺寸固定。

而现在变成了3D打印。

想捏成什么样就捏成什么样。

最有意思的是实验结果。

研究人员重建了这些量子态的维格纳函数。

这是量子物理里观察量子态的一种方法。

如果一个状态看起来很像经典世界。

图像会比较平滑。

如果里面存在真正的量子干涉。

就会出现一些诡异结构。

尤其是所谓的“负概率区域”。

注意。

这里不是真的负概率。

而是一种量子特有的数学特征。

只要出现它。

就说明这个系统已经彻底脱离经典世界。

进入纯正量子领域。

而牛津团队看到的正是这种结构。

而且异常明显。

这说明他们创造出来的不是某种经典噪声混合物。

而是真正的新型量子叠加态。

从论文公布的图像来看。

这些状态甚至呈现出漂亮的六重旋转对称结构。

像雪花。

像曼陀罗。

又像某种来自外星文明的图腾。

很难想象。

这些复杂图案其实只是一个原子的运动状态。

那么问题来了。

这东西有什么用？

难道只是为了制造更奇怪的量子猫？

当然不是。

量子计算最大的敌人一直都是噪声。

量子态太脆弱了。

外界轻轻碰一下就崩。

所以整个量子计算领域几十年来都在研究一件事：

怎么让量子信息活得更久。

传统方案是不断增加量子比特数量。

靠冗余纠错。

但这会让系统越来越复杂。

成本越来越高。

而近年来一个重要方向开始崛起：

直接把信息编码进复杂量子振荡器。

利用特殊量子态自身的结构实现容错。

这被很多人认为是未来量子计算的重要路线。

而牛津团队创造的新型量子猫态。

恰恰属于这一方向。

这些状态拥有更丰富的结构。

理论上能够承载更多信息。

同时提供更高效的纠错能力。

换句话说。

未来量子计算机也许不再依赖大量普通量子比特。

而是依赖少量但极其复杂的量子振荡器。

更重要的是。

这项工作还触及了一个物理学最古老的问题。

量子世界和经典世界之间到底隔着什么？

为什么电子可以同时出现在两个地方。

而你不能同时出现在北京和上海？

为什么原子会叠加。

猫却不会？

这个边界究竟在哪里？

没人知道。

过去几十年里，科学家一直在试图制造越来越大的量子叠加态。

因为每往前推进一步。

就离答案更近一步。

薛定谔当年提出那只猫的时候，大概不会想到。

90年后的人类不仅没有放弃这只猫。

反而开始疯狂繁殖。

先是两只猫叠加。

后来三只猫叠加。

再后来出现四重压缩、六重旋转、各种花里胡哨的新猫。

如今牛津大学又创造出一个全新的量子猫家族。

这只猫已经完全超出了薛定谔最初的想象。

但某种意义上说。

这正是量子物理最迷人的地方。

每当你觉得它已经够离谱的时候。

它总能告诉你：

不，还有更离谱的。

参考文献

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 Schrödinger-cat states.

Physical Review X, American Physical Society.