列日大學的研究人員開發出一種突破性的方法，利用幾何學和量子控制相結合，快速產生量子疊加態（即NOON態）。這項創新將製備時間從幾分鐘大幅縮短至幾毫秒，為量子運算和超精密感測器的實際應用打開了大門。

長期以來，創建超冷原子的量子疊加一直是一項重大挑戰，現有方法被證明速度太慢，無法在實驗室中實際應用。列日大學的研究人員如今開發出一種新方法，將幾何學與「量子控制」結合，顯著加速了這個過程，為量子技術的實際應用打開了大門。

想像一下，推著滿滿一車的購物車逛超市。目標是比其他人更快到達收銀台，並且不會在急轉彎時丟失商品。成功的關鍵在於找到最筆直、最順暢的路徑，保持速度，而無需減速。

這正是列日大學博士研究員西蒙‧登吉斯（Simon Dengis）所取得的成就。他並非在超市，而是在複雜的量子物理領域。

NOON 態是一種疊加量子態，其中N 個粒子「同時」處於一種狀態，又「同時」處於另一種狀態。在這裡，粒子被困在兩個阱中，位於雷射形成的阱內。因此，疊加態由所有粒子都位於左側阱中的狀態和它們被困在右側阱中的狀態組成。當粒子位於同一位置時，它們會相互作用並「黏」在一起，阻止單個粒子離開阱。圖片來源：列日大學/ S. Dengis

鄧吉斯與量子統計物理（PQS）團隊合作，開發了一種快速產生NOON 態的協議。 「這些態看起來像是薛丁格那隻著名的貓的微縮版本，是量子疊加態，」他解釋道。 “它們對於超精密量子感測器或量子計算機等技術至關重要。”

主要挑戰是什麼？製造這些狀態通常需要太長時間。我們說的是幾十分鐘甚至更長，這通常超出了實驗的壽命。原因是什麼？能量瓶頸，即係統演化過程中的“急轉彎”，迫使其速度減慢。

反非絕熱控制透過某種方式改變系統慣性來補償其慣性。在本例中，為了補償服務員移動引起的水的移動，服務員可以傾斜托盤來抵消玻璃杯的慣性，防止其傾倒。圖片來源：列日大學/ S.Dengis

這正是列日大學團隊的突破之作。他們結合了反非絕熱驅動和最優測地線路徑這兩個強大的概念，成功地為原子鋪平了道路。結果：系統可以更快地演化，而不會偏離理想狀態的軌跡，就像駕駛者透過傾斜托盤來預測彎道一樣。

「這種策略節省了大量時間：在某些情況下，處理速度可加快10000倍，同時保持99%的保真度，即接近完美的結果，」實驗室主任Peter Schlagheck說。此前，創建這種狀態大約需要十分鐘，而研究人員成功地將等待時間大幅縮短…至0.1秒！

憑藉著這項突破，我們終於可以用超冷原子產生NOON態。這為量子計量學（對時間、旋轉或重力進行超靈敏測量）和量子資訊技術開啟了廣闊的前景。最終，這些工具可以改進量子陀螺儀或微型重力探測器等儀器。

所提出的協議（藍色，GCD）可以擴大能量瓶頸（與通常的紅色協議G相比），因此在接近瓶頸時需要的煞車更少。這張圖可以用摩托車比賽來理解：由於轉彎不太“平穩”，紅色摩托車需要比藍色摩托車煞車更多。因此，藍色摩托車將比對手先到達目的地。此時，系統能量（以及其狀態）的變化不那麼突然，從而可以大幅加速整個過程。圖片來源：列日大學/S.Dengis

這項研究展示了理論與實驗如何結合，從而推動量子物理學取得具體進展。透過將數學概念、基礎物理和實驗可行性結合，列日大學的研究人員取得了突破性進展，有望將曾經的理論轉化為未來的技術。

量子疊加是指一個量子系統（例如原子、電子或光子）在未被觀測到的情況下，可以同時處於多種狀態。最常用來解釋這個概念的例子是薛丁格的貓：一隻貓被鎖在一個盒子裡。根據量子力學，在盒子被打開之前，這隻貓既活著又死了。這種兩種狀態的同時組合稱為疊加。

只有打開盒子觀察，我們才能「迫使」自然選擇一種狀態：活著還是死去。 NOON 態是量子疊加的一個例子：所有原子同時處於左側勢阱和右側勢阱中。只有在測量的時刻，它們才會出現在其中之一。

編譯自/ scitechdaily