Вчені навчили один іон створювати найскладніший квантовий ефект в історії

Фізики Оксфордського університету досягли результату, який десятиліттями залишався поза досяжністю експериментаторів: їм вдалося отримати квантове стискання четвертого порядку — ефект, відомий у теорії, але практично недоступний у лабораторних умовах. Ключовим інструментом став один-єдиний іон, утримуваний у пастці.

Експеримент побудований навколо квантового гармонічного осцилятора — моделі, яка описує системи, що коливаються навколо рівноваги. У класичній фізиці так само поводяться пружина або маятник. У квантовій — той самий принцип застосовують для опису світла, коливань молекул і руху окремого атома чи іона в пастці. Керування такими системами критично важливе для квантових сенсорів, симуляторів і обчислювальних пристроїв.

Квантове стискання перерозподіляє невизначеність між парами величин — наприклад, положенням та імпульсом. Коли одна величина вимірюється точніше, інша стає менш визначеною. На практиці стиснуте світло вже використовують у детекторах гравітаційних хвиль LIGO для підвищення чутливості. Однак звичайне стискання — лише найпростіший варіант із цілого сімейства подібних ефектів. Трисжатие третього порядку та квадросжатие четвертого порядку фізики хотіли отримати давно, але ефекти вищих порядків надто слабкі й швидко гинуть у шумах.

Оксфордська команда обійшла це обмеження, не намагаючись напряму посилити слабку взаємодію. Дослідники подали на один утримуваний іон дві точно налаштовані сили. Окремо кожна з них дає простий лінійний відгук, але разом вони починають впливати одна на одну й породжують складніший рух. Це явище пов’язане з некомутативністю: результат залежить від порядку і спільної дії операцій, тому дві процедури не зводяться до простої суми. Метод спирається на теорію, яку ще 2021 року запропонували Рагхавендра Срінівас і Роберт Тайлер Сазерленд.

На одній установці дослідники перемикалися між кількома типами стискання, змінюючи частоти, фази й силу впливів. У результаті вдалося послідовно отримати звичайне стискання, трисжатие і — вперше на будь-якій експериментальній платформі у світі — квадростискання четвертого порядку. Правомірність результатів підтвердило відновлення квантових станів руху іона: виміри показали характерні форми для стискань другого, третього і четвертого порядків.

Особливо вражає швидкість: квадростискання отримали більш ніж у 100 разів швидше, ніж передбачали стандартні підходи. Для квантового експерименту це принципово — що швидше виникає потрібний стан, то менше часу лишається шумам і втратам, щоб його зруйнувати. Саме тому відкриття не просто фіксує черговий рідкісний ефект, а робить раніше недосяжний режим придатним для реальних вимірювань.

Тепер метод переносять на складніші системи з кількома модами руху. Оскільки підхід спирається на елементи, доступні на різних квантових платформах, він може знайти застосування не лише в дослідах з іонами.