Исследователи из Оксфордского университета достигли важного рубежа в квантовой физике, продемонстрировав квадссквизинг — сложное квантовое взаимодействие четвёртого порядка, которое ранее существовало лишь в теории. Опубликованное в журнале Nature Physics 1 мая, это открытие представляет новый метод проектирования мощных квантовых взаимодействий с использованием единственной захваченной иона. Это может ускорить развитие квантовых вычислений, сенсоров и симуляций.
Сложность высших порядков квантовых эффектов
Чтобы понять значимость этого достижения, сначала нужно взглянуть на то, как контролируются квантовые системы. Многие физические системы, от световых волн до молекулярных вибраций, ведут себя как крошечные пружины или маятники — так называемые квантовые гармонические осцилляторы. Контроль над этими колебаниями критически важен для технологий, таких как детекторы гравитационных волн (например, LIGO) и квантовые компьютеры.
Стандартным методом повышения точности измерений является «сквизинг» (сжатие). В квантовой механике существует фундаментальный предел того, насколько точно можно одновременно знать определённые пары свойств, такие как положение и импульс (принцип неопределённости Гейзенберга). Сжатие перераспределяет эту неопределённость: оно снижает шум в одном свойстве, делая его более точным, за счёт увеличения шума в другом.
Однако стандартное сжатие — это лишь начало. Физики давно пытались использовать более сложные взаимодействия высших порядков, такие как трикс-сквизинг (третий порядок) и квадс-сквизинг (четвёртый порядок). Эти эффекты естественным образом чрезвычайно слабы. По мере увеличения порядка взаимодействия сигнал становится настолько слабым, что обычно заглушается фоновым шумом среды ещё до того, как его можно обнаружить или использовать.
Превращение помехи в преимущество
Команда из Оксфорда под руководством доктора Оаны Бэзаван и под надзором доктора Рагхавендры Сриниваса решила эту проблему, изменив подход к инженерии взаимодействий. Вместо того чтобы пытаться напрямую усилить слабое взаимодействие высшего порядка, они объединили две точно контролируемые силы, действующие на единственную захваченную ион.
Этот метод опирается на математическую концепцию, называемую некоммутативностью. Проще говоря, это означает, что порядок применения двух операций имеет значение. Когда две силы применялись последовательно, они не просто складывались; они влияли друг на друга таким образом, что усиливали результирующее движение иона.
«В лаборатории некоммутативные взаимодействия часто считаются помехой, поскольку они вносят нежелательную динамику. Здесь мы подошли с противоположной стороны и использовали эту особенность для генерации более сильных квантовых взаимодействий», — отметила доктор Бэзаван.
Эта техника, основанная на теории, предложенной в 2021 году Сринивасом и Робертом Тайлером Сазерлендом, позволила команде создать взаимодействия, значительно более сильные, чем это возможно традиционными методами.
Первая демонстрация квадс-сквизинга
Используя этот новый подход, исследователи успешно переключались между различными типами сжатия в рамках одной экспериментальной установки. Регулируя частоты, фазы и силу приложенных сил, они сгенерировали:
- Стандартное сжатие: хорошо известный эффект второго порядка.
- Трикс-сквизинг: взаимодействие третьего порядка.
- Квадс-сквизинг: взаимодействие четвёртого порядка, продемонстрированное впервые на любой платформе.
Команда подтвердила эти состояния, реконструируя квантовое движение захваченного иона и выявляя характерные паттерны, подтверждающие наличие каждого конкретного взаимодействия. Примечательно, что взаимодействие квадс-сквизинга было сгенерировано более чем в 100 раз быстрее, чем ожидалось при использовании традиционных подходов, что делает эти неуловимые эффекты практически доступными.
Значение для будущих технологий
Это прорыв — не просто создание нового квантового состояния; это предоставление нового набора инструментов для управления квантовыми системами. Поскольку метод использует стандартные инструменты, уже доступные на многих квантовых платформах, он имеет широкую применимость.
Исследователи уже начали применять этот метод к более сложным системам, включающим несколько мод движения. В недавних экспериментах они объединили технику с измерениями спина иона в середине цепи, чтобы:
* Создавать гибкие суперпозиции сжатых состояний.
* Моделировать калибровочные теории решётки, которые необходимы для понимания фундаментальной физики частиц.
Доктор Сриниваса отметил, что эта работа открывает неизведанные территории в квантовой физике. Делая ранее скрытые квантовые поведения видимыми и управляемыми, этот метод может привести к созданию более устойчивых квантовых сенсоров, более эффективных квантовых симуляторов и улучшенной коррекции ошибок в квантовых компьютерах.
Заключение
Демонстрация квадс-сквизинга знаменует переход от пассивного наблюдения квантовых эффектов к их активному конструированию. Используя некоммутативные силы, оксфордские учёные превратили ранее деструктивное физическое явление в мощный инструмент, прокладывая путь к более точным и универсальным квантовым технологиям.
