Физики из Оксфорда впервые в истории добились «квадсжатия» в квантовой физике

Экспериментальная установка с захваченным ионом, использованная для создания семейства сжатых состояний. Ион удерживается между электродами и контролируется с помощью точно настроенных лазерных полей. Credit: David Nadlinger

Исследователи из Оксфордского университета продемонстрировали новый тип квантового взаимодействия с использованием одного захваченного иона. Тщательно генерируя и контролируя все более сложные формы «сжатия», включая эффект четвертого порядка, названный квадсжатием, они сделали доступными квантовые явления, которые ранее были недостижимы. Работа также представляет новый метод создания таких взаимодействий с потенциальным применением в квантовом моделировании, сенсорике и вычислениях. Результаты были опубликованы сегодня (1 мая) в журнале Nature Physics.

Многие физические системы ведут себя как крошечные колеблющиеся объекты, подобные пружинам или маятникам. В квантовой физике они известны как квантовые гармонические осцилляторы. Это описание применимо к широкому кругу систем, включая световые волны, молекулярные вибрации и даже движение одного захваченного атома.

Контроль над этими колебаниями необходим для современных квантовых технологий. Применения варьируются от чрезвычайно точных измерительных инструментов до разработки квантовых компьютеров следующего поколения.

Сжатие и пределы квантовой точности

Одним из наиболее распространенных методов управления квантовыми осцилляторами является сжатие. Квантовая механика накладывает строгие ограничения на то, насколько точно определенные пары свойств, такие как положение и импульс, могут быть измерены одновременно. Сжатие перераспределяет эту неопределенность, делая одно свойство более точным за счет увеличения неопределенности в другом.

Эта концепция не просто теоретическая. Сжатый свет уже используется в детекторах гравитационных волн, таких как LIGO, для повышения чувствительности.

Выход за рамки стандартного сжатия

Стандартное сжатие — это лишь часть более широкого набора возможных взаимодействий. Физики давно стремились создать более сложные версии, известные как трисжатие и квадсжатие. Эти эффекты высшего порядка гораздо труднее достижимы, поскольку они естественным образом очень слабы и быстро подавляются шумом.

В результате наблюдение этих продвинутых квантовых взаимодействий оставалось серьезной проблемой.

Новый метод с использованием некоммутирующих сил

Команда из Оксфорда разработала решение, объединив две точно контролируемые силы, действующие на один захваченный ион. Этот подход основан на теории, предложенной в 2021 году доктором Рагхавендрой Шринивасом и Робертом Тайлером Сазерлендом.

Каждая сила по отдельности производит простой предсказуемый эффект. Однако при совместном применении они генерируют более сильное и сложное взаимодействие. Это происходит из-за некоммутативности — квантового эффекта, при котором порядок и комбинация действий меняют результат, позволяя силам усиливать друг друга.

Ведущий автор исследования, доктор Оана Бэзэван с физического факультета Оксфордского университета, заявила: «В лаборатории некоммутирующие взаимодействия часто рассматриваются как помеха, поскольку они вносят нежелательную динамику. Здесь мы пошли от обратного и использовали эту особенность для генерации более сильных квантовых взаимодействий».

Первая в мире демонстрация квадсжатия

Используя ту же экспериментальную установку, исследователи смогли переключаться между различными уровнями сжатия. Они успешно получили стандартное сжатие, трисжатие и, впервые на какой-либо платформе, квадсжатие — взаимодействие четвертого порядка.

Регулируя частоты, фазы и силы приложенных воздействий, они могли контролировать, какое взаимодействие проявляется, минимизируя при этом нежелательные эффекты.

Доктор Оана Бэзэван добавила: «Результат — это не просто создание нового квантового состояния. Это демонстрация нового метода создания взаимодействий, которые ранее были недостижимы. Взаимодействие квадсжатия четвертого порядка было получено более чем в 100 раз быстрее, чем ожидалось при использовании обычных подходов. Это делает эффекты, которые ранее были недоступны, достижимыми на практике».

Подтверждение квантовых эффектов

Чтобы проверить результаты, команда восстановила квантовое движение захваченного иона. Измерения выявили отчетливые паттерны, соответствующие сжатию второго, третьего и четвертого порядков. Эти паттерны стали четким доказательством того, что каждый тип взаимодействия был успешно создан.

Будущие применения в квантовых технологиях

Сейчас исследователи расширяют этот метод на более сложные системы с несколькими модами движения. Поскольку методика опирается на инструменты, уже доступные на многих квантовых платформах, она может стать широко используемым способом изучения продвинутого квантового поведения.

Этот подход уже был объединен с измерениями спина иона в середине схемы для создания гибких комбинаций сжатых состояний и моделирования калибровочной теории на решетке.

Соавтор исследования доктор Рагхавендра Шринивас (физический факультет Оксфордского университета), руководивший работой, сказал: «По сути, мы продемонстрировали новый тип взаимодействия, который позволяет нам исследовать квантовую физику на неизведанной территории, и мы искренне взволнованы открытиями, которые нас ждут».

Источники:

Материалы предоставлены Оксфордским университетом.

O. Băzăvan, S. Saner, D. J. Webb, E. M. Ainley, P. Drmota, D. P. Nadlinger, G. Araneda, D. M. Lucas, C. J. Ballance, R. Srinivas. Squeezing, trisqueezing and quadsqueezing in a hybrid oscillator–spin system. Nature Physics, 2026; DOI: 10.1038/s41567-026-03222-6