Физики из Оксфордского университета разработали метод управления квантовыми состояниями одиночного захваченного иона, позволивший продемонстрировать сверхсложные формы взаимодействия. Ученым удалось зафиксировать эффект четвертого порядка, называемый квадсжатием, который ранее считался недоступным для экспериментального наблюдения. Результаты исследования, опубликованные в журнале «Nature Physics», расширяют возможности квантового моделирования и создания сверхточных сенсоров.
В основе многих квантовых систем лежат гармонические осцилляторы – объекты, совершающие периодические колебания, подобные движениям маятника или пружины. К этой категории относятся световые волны, вибрации молекул и движение атомов в ловушках. Управление такими колебаниями критически важно для развития современных квантовых технологий, включая вычислительные системы нового поколения. Одним из ключевых инструментов контроля является сжатие квантовых состояний. Согласно принципу неопределенности, невозможно одновременно с абсолютной точностью измерить определенные пары характеристик частицы, например ее положение и импульс. Сжатие позволяет перераспределить эту неопределенность, повышая точность одного параметра за счет намеренного увеличения погрешности другого. Подобная технология уже применяется на практике в детекторах гравитационных волн LIGO для повышения их чувствительности.
До сих пор исследователи эффективно использовали преимущественно стандартное сжатие второго порядка. Эффекты более высоких порядков, такие как трисжатие и квадсжатие, оставались труднодостижимыми из-за их естественной слабости и подверженности внешним шумам. Группа из Оксфорда нашла способ обойти эти ограничения, объединив две точно настроенные силы, действующие на ион. Метод основан на эффекте некоммутативности, при котором результат воздействия зависит от последовательности приложения сил. В квантовой среде это позволило силам не создавать помехи, а усиливать друг друга.
По словам ведущего автора работы Оаны Бэзэван, такой подход позволил генерировать взаимодействие четвертого порядка более чем в сто раз быстрее, чем предсказывали традиционные модели. В ходе эксперимента физики управляли частотой, фазой и интенсивностью приложенных сил, что позволило переключаться между различными типами квантовых взаимодействий.
Для подтверждения успеха эксперимента исследователи реконструировали квантовое движение иона. Полученные данные выявили специфические графические паттерны, соответствующие сжатию второго, третьего и четвертого порядков. Авторы полагают, что их методика станет универсальным инструментом для изучения квантового поведения в различных физических системах. В частности, технологию уже интегрировали с измерениями спина иона для симуляции калибровочных теорий на решетке, что открывает путь к моделированию фундаментальных процессов микромира.
