Физики из Оксфордского университета совершили прорыв в квантовой механике: они впервые создали и контролировали сложные формы «сжатия» квантовых состояний, включая эффект четвертого порядка. Этот метод в 100 раз быстрее традиционных подходов и открывает путь к новым квантовым технологиям.
В основе работы лежит квантовый гармонический осциллятор — модель, описывающая вибрации атомов, световые волны и движение захваченных частиц. Управление такими системами важно для сверхточных датчиков и квантовых компьютеров. Классическое «сжатие» уменьшает неопределенность одного параметра (например, положения) за счет другого (импульса). Это уже используется в детекторах гравитационных волн LIGO.
Однако эффекты более высокого порядка — трисжатие и квадсжатие — ранее считались недостижимыми из-за их слабости. Команда решила проблему нестандартно: вместо прямой генерации слабых взаимодействий они объединили две контролируемые силы, действующие на один захваченный ион. Каждая по отдельности дает простой линейный эффект, но вместе они создают сильное нелинейное взаимодействие благодаря эффекту некоммутативности.
«В лаборатории некоммутирующие взаимодействия часто считают помехой, — поясняет ведущий автор доктор Оана Бэзаван. — Мы же обратили эту особенность в преимущество».
Изменяя частоту, фазу и силу приложенных полей, ученые переключались между сжатием второго, третьего и четвертого порядков, подавляя нежелательные эффекты.
Квадсжатие — взаимодействие четырех квантовых состояний — было получено в 100 раз быстрее, чем предсказывали традиционные модели. Исследователи подтвердили результаты, реконструировав квантовые состояния движения иона. Полученные формы точно соответствуют характерным признакам сжатия разных порядков.
Метод уже применили для генерации суперпозиций сжатых состояний и моделирования решеточной калибровочной теории. Поскольку технология основана на компонентах, доступных в разных квантовых платформах, она может стать универсальным инструментом для квантового моделирования, сверхточных измерений и вычислений.
«Мы открыли новый тип взаимодействия, позволяющий исследовать квантовую физику на неизведанной территории», — резюмирует соавтор работы доктор Рагхавендра Шринивас.
Результаты работы опубликованы в Nature Physics.
Изображение: экспериментальная установка для захвата ионов, используемая для генерации семейства сжатых состояний. Ион удерживается между электродными структурами и контролируется с помощью точно настроенных лазерных полей. Фото: Дэвид Надлингер. / phys.org
