В квантовой механике невозможно одновременно с высокой точностью определить параметры связанных пар характеристик объекта. Например, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, чем точнее мы измеряем координату электрона, тем менее определенным становится значение его скорости. В стандартном квантовом «сжатии» пространство вероятностей превращается из круга в эллипс, где неопределенность одного параметра уменьшается за счет увеличения другого. Однако ученые стремятся выйти за рамки этих простых форм, создавая более сложные конфигурации — с лепестками и шипами в распределении вероятностей.
Команда физиков из Оксфордского университета объявила о прорыве в этой области: им впервые в мире удалось экспериментально зафиксировать «квадросжатие» — квантовое взаимодействие четвертого порядка. Ранее такие состояния высших порядков считались практически недостижимыми из-за фоновых шумов, которые буквально «заглушали» тонкие квантовые эффекты. Способность манипулировать распределениями вероятностей такой сложности имеет огромное значение: это позволит создавать датчики нового поколения. В частности, технология может значительно повысить чувствительность современных гравитационно-волновых обсерваторий, которые уже сегодня применяют принципы сжатия второго порядка.
В ходе эксперимента ученые работали с одиночным захваченным ионом, воздействуя на него двумя высокоточными лазерными полями. Несмотря на то, что каждое поле по отдельности оказывало лишь линейное воздействие, их некоммутативное взаимодействие привело к возникновению мощного нелинейного эффекта высшего порядка. Точная настройка фаз, амплитуд и частот лазерных импульсов позволила исследователям избирательно активировать необходимые типы сжатия, эффективно отсекая сторонние помехи. Интересно, что генерация состояния четвертого порядка произошла в 100 раз быстрее, чем предсказывали традиционные теоретические модели.
Подтверждением успеха стала точная реконструкция квантовых состояний движения иона, продемонстрировавшая характерные геометрические паттерны для взаимодействий разных порядков. Сейчас исследователи работают над масштабированием метода для многомодовых систем. Разработанная технология универсальна: она совместима с различными квантовыми платформами, включая сверхпроводящие системы и ловушки для холодных атомов. Эти результаты уже находят применение в квантовых вычислениях, симуляции решеточных калибровочных теорий и создании сверхчувствительных измерительных приборов, что дает ученым новый инструмент для глубокого изучения физики Вселенной.
