Квантовые гармонические осцилляторы — это фундаментальные системы, которые лежат в основе колебаний света, молекул и даже одиночных атомов. Контроль над этими состояниями критически важен для прогресса в области квантовых сенсоров и высокопроизводительных вычислений. Одним из основных инструментов управления выступает квантовое сжатие: оно позволяет снизить неопределенность одной физической величины, например положения, за счет увеличения другой, импульса. Этот эффект уже успешно применяется в таких установках, как детекторы гравитационных волн LIGO.
До настоящего момента экспериментаторам удавалось воспроизвести лишь обычное, стандартное сжатие. Научное сообщество долгое время пыталось достичь более сложных состояний — трисжатия (трисквизинга) и квадросжатия (квадсквизинга), соответствующих третьему и четвертому порядку. Эти эффекты обещают гораздо более мощные и точные квантовые манипуляции, однако долгое время оставались теоретически недостижимыми из-за высокой сложности их поддержания и нестабильности.
Иллюстрация: Nano Banana
Исследовательская группа из Оксфордского университета сумела совершить прорыв, впервые реализовав сжатие четвертого порядка на одиночном ионе. Добиться этого удалось благодаря применению двух прецизионно настроенных сил, воздействующих на частицу одновременно. В основе метода лежит принцип некоммутативности: в квантовом мире последовательность операций критически важна, поэтому совместное использование сил создает синергетический эффект, который значительно превосходит простое суммирование воздействий.
В ходе эксперимента ученые получили возможность гибко переключаться между обычным сжатием, трисжатием и квадросжатием. Примечательно, что результат четвертого порядка был достигнут более чем в 100 раз быстрее, чем это предсказывали традиционные классические методики. Успех стал возможен благодаря тончайшей настройке частот, фаз и интенсивности воздействия на ион.
Как отметила руководитель эксперимента Оана Бэзэван, данный результат является не просто созданием нового квантового состояния, а демонстрацией мощного метода инженерного управления ранее недоступными взаимодействиями. В перспективе это открытие позволит создавать более точные квантовые симуляторы, разрабатывать сенсоры нового поколения и существенно продвинуться в развитии квантовых вычислительных систем.
