Исследователи из Оксфордского университета совершили прорыв в квантовой физике, впервые экспериментально создав произвольные суперпозиции неклассических состояний квантового гармонического осциллятора. В ходе эксперимента ученым удалось оперировать «сжатыми» (squeezed), «трисжатыми» (trisqueezed) и «квадросжатыми» (quadsqueezed) состояниями.
Ранее подобные сложные комбинации описывались исключительно в теоретических работах, тогда как практические опыты ограничивались лишь «котами Шрёдингера» из когерентных волновых пакетов. Команде удалось добиться успеха при работе с одиночным ионом стронция-88, помещенным в ловушку Пауля. Физики получили суперпозиции, где компоненты представляют собой состояния с перераспределенной квантовой неопределенностью, сохранив при этом полный контроль над фазами, относительными весами и пространственным разносом этих состояний.
Гибридная схема управления ионами
Основой метода стала гибридная архитектура, где внутренние электронные уровни иона используются в качестве кубита (кутрита с применением вспомогательного состояния), а механические колебания иона выступают как квантовый гармонический осциллятор с множеством энергетических уровней.
В процессе работы исследователи использовали спин-зависимые нелинейные взаимодействия различных порядков (k=2 для сжатия, k=3 для трисжатия и k=4 для квадросжатия). Эти процессы запутывали движение иона с его спиновым состоянием. Промежуточное измерение спина позволяло проектировать осциллятор в требуемую суперпозицию, например, в четную или нечетную комбинацию сжатых пакетов. Добавление спин-зависимого смещения позволило разносить эти пакеты в фазовом пространстве, создавая аналоги «кота», но состоящие из неклассических блоков. Варьируя тип взаимодействия, ученые смогли комбинировать сжатую и трисжатую составляющие с независимо настраиваемыми параметрами.
Изображение сгенерировано: Nano Banana
Интерференция как доказательство
При построении карты состояния в фазовом пространстве физики зафиксировали отчетливый интерференционный узор с провалами в отрицательную область. Поскольку в классической физике вероятность не может быть отрицательной, этот факт стал прямым доказательством того, что получен полноценный объект квантовой суперпозиции, который невозможно воспроизвести путем смешивания обычных состояний.
Сопоставление результатов с численной моделью, учитывающей начальную температуру осциллятора и паразитный нагрев, показало точность более 90%. Более того, мера неклассичности (логарифмическая негативность Вигнера) новых суперпозиций оказалась существенно выше, чем у фоковских состояний или стандартных «котов Шрёдингера» при аналогичном уровне колебательной энергии. Это означает, что полученный объект является более мощным ресурсом для квантовых вычислений и требует значительно больших вычислительных мощностей для имитации на обычном компьютере.
Практическое применение в квантовой инженерии
Методика оксфордских ученых является универсальной и может быть адаптирована для любых систем, основанных на связи «спин–осциллятор»: от сверхпроводящих цепей до атомов в оптических резонаторах и наночастиц в ловушках.
Перевод подобных состояний из области математической теории в разряд инструментов квантовой инженерии открывает новые возможности для:
- вычислений с непрерывными переменными;
- протоколов коррекции ошибок, устойчивых к потере данных;
- квантовой метрологии, где перенаправление квантового шума позволяет преодолеть стандартные пределы чувствительности приборов.
Авторы исследования продолжают работу по количественной оценке «квантовости» новых состояний, подчеркивая, что набор доступных для манипуляций суперпозиций находится лишь на начальном этапе своего расширения.
комментарии закрыты.