Один ион заставили сделать невозможное — создать квантовое состояние, которое не получалось 100 лет

Учёные из Оксфордского университета показали, как один удержанный ион может создавать квантовые эффекты, которые раньше почти не удавалось получить в лаборатории. Команда научилась управлять сложными видами квантового сжатия, включая квадросжатие - эффект четвёртого порядка. Важен не сам необычный режим движения частицы, а способ получать сильные нелинейные взаимодействия там, где обычно сигнал слишком слабый и быстро тонет в шуме.

Эксперимент построен вокруг квантового гармонического осциллятора - модели для систем, которые колеблются около равновесия. В классической физике похожим образом описывают пружину или маятник. В квантовой физике тот же принцип помогает описывать свет, колебания молекул и движение отдельного атома или иона в ловушке. Контроль над такими системами нужен для квантовых датчиков, симуляторов и вычислительных устройств.

Квантовое сжатие меняет распределение неопределённости в осцилляторе. По законам квантовой механики нельзя одновременно с любой точностью измерить некоторые пары величин, например положение и импульс. При сжатии одна величина становится точнее, а другая теряет определённость. Этот приём уже применяют на практике: сжатый свет используют, например, в детекторах гравитационных волн LIGO, чтобы повысить чувствительность измерений.

Обычное сжатие - только самый простой вариант из целого семейства таких взаимодействий. Физики давно хотели получить более сложные режимы: трисжатие третьего порядка и квадросжатие четвёртого порядка. Чем выше порядок, тем богаче динамика системы и тем больше необычных квантовых состояний можно построить. Главная трудность в слабости эффекта: в реальных установках взаимодействия высоких порядков быстро уменьшаются, а шумы и потери успевают разрушить нужное состояние до измерения.

Оксфордская команда обошла ограничение другим путём. Исследователи не пытались напрямую усилить слабое взаимодействие, а взяли один удержанный ион и подали на него две точно настроенные силы. По отдельности каждая сила даёт простой линейный отклик. Вместе они начинают влиять друг на друга и создают более сложное движение иона. Этот принцип связан с некоммутативностью: результат зависит от порядка и совместного действия операций, поэтому две процедуры нельзя свести к обычной сумме.

В лаборатории некоммутативность часто мешает, потому что добавляет лишнюю динамику и усложняет управление системой. В новой работе тот же эффект превратили в инструмент. Подход основан на теории, которую в 2021 году предложили Рагхавендра Сринивас и Роберт Тайлер Сазерленд. Вместо подавления побочных взаимодействий физики использовали их для создания нужного режима.

На одной установке исследователи переключались между несколькими типами сжатия. Они меняли частоты, фазы и силу приложенных воздействий, выбирали нужное взаимодействие и подавляли лишние эффекты. Так удалось получить обычное сжатие, трисжатие и впервые на любой экспериментальной платформе - квадросжатие, то есть взаимодействие четвёртого порядка.

Особенно важна скорость. Квадросжатие создали более чем в 100 раз быстрее, чем ожидалось при стандартных подходах. Для квантового эксперимента такая разница критична: чем быстрее появляется нужное состояние, тем меньше времени остаётся у шумов и потерь. Поэтому работа не просто описывает ещё один редкий эффект, а делает ранее недоступный режим пригодным для реальных измерений.

Результат проверили через восстановление квантовых состояний движения удержанного иона. Измерения показали характерные формы для сжатия второго, третьего и четвёртого порядка. Эти признаки подтвердили, что установка создаёт именно разные типы взаимодействий, а не случайные искажения движения.

Теперь метод переносят на более сложные системы с несколькими режимами движения. Поскольку подход использует элементы, доступные на разных квантовых платформах, схема может пригодиться не только в опытах с ионами. Авторы связывают результат с квантовым моделированием, высокоточными измерениями и вычислениями. В сочетании с измерениями спина иона прямо во время работы системы метод уже помог создавать произвольные суперпозиции сжатых состояний и моделировать калибровочную теорию на решётке.

Главный результат эксперимента - управляемый способ получать нелинейные квантовые взаимодействия высокого порядка. Следующая проверка покажет, как метод работает в системах, где участвует не один ион, а несколько связанных квантовых режимов.