«Апостериори»: Физики создали недостижимые ранее квантовые состояния

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Физики впервые реализовали новый тип квантовых состояний, которые ещё недавно считались практически недостижимыми. Речь идёт о квантовом сжатии третьего и четвёртого порядков. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.

Квантовый гармонический осциллятор – одна из базовых моделей в физике. Он описывает самые разные системы: от электромагнитных полей до колебаний атомов в молекулах. В квантовом случае такие системы удобно представлять через квазичастицы – например, фотоны или фононы.

В обычных условиях взаимодействия в таких системах линейны: они либо создают, либо уничтожают одну частицу за раз. Это приводит к так называемым когерентным состояниям. Однако если добавить нелинейность, поведение системы существенно усложняется. Уже взаимодействия второго порядка позволяют получить сжатые состояния – в них уменьшается неопределённость одной величины, например координаты, за счёт увеличения неопределённости сопряжённой величины, например импульса.

Такие состояния хорошо изучены и уже применяются, например, для снижения квантового шума в интерферометрических детекторах гравитационных волн. Но при переходе к более высоким порядкам – третьему, четвёртому и далее – возникают так называемые негауссовы состояния. Они принципиально важны, потому что именно они позволяют реализовать полноценные квантовые вычисления с непрерывными переменными и моделировать сложные квантовые системы, недоступные классическим компьютерам.  

Проблема в том, что такие нелинейные взаимодействия крайне слабы. С увеличением порядка они быстро затухают, и реализовать их в эксперименте становится всё сложнее.

Авторы новой работы предложили обходной путь. Вместо того чтобы напрямую создавать нелинейные взаимодействия, они использовали гибридную систему – квантовый осциллятор, связанный со спином. В качестве такой системы выступил один захваченный ион стронция. Его колебания образуют квантовый гармонический осциллятор, а два внутренних энергетических уровня используются как эффективная спиновая степень свободы.

Ключевая идея состоит в том, чтобы одновременно применить два линейных взаимодействия, зависящих от спина. По отдельности они лишь сдвигают состояние осциллятора. Но если правильно выбрать их параметры, то совместно они начинают вести себя как эффективное нелинейное взаимодействие более высокого порядка.

Меняя частотные настройки этих взаимодействий, исследователи смогли реализовать разные режимы: обычное квантовое сжатие, а также сжатие третьего и четвёртого порядка. Причём всё это удалось сделать в одной и той же системе, просто меняя параметры эксперимента.

Чтобы убедиться, что полученные состояния действительно обладают нужными свойствами, учёные реконструировали так называемую функцию Вигнера – квазираспределение, позволяющее представить квантовое состояние в фазовом пространстве.

Для обычного квантового сжатия она имеет форму вытянутого эллипса. Для сжатия третьего порядка появляются трёхлепестковые структуры, а для четвёртого – четырёхлепестковые. Такие формы свидетельствуют о том, что состояние перестаёт быть гауссовым и приобретает более сложную квантовую структуру.

Особенно важно, что предложенный метод оказался значительно эффективнее традиционных подходов. Например, взаимодействие четвёртого порядка удалось реализовать более чем в сто раз быстрее, чем это возможно при прямом возбуждении таких процессов.

Это не только демонстрация нового физического эффекта, но и потенциальный инструмент для квантовых технологий. Подобные методы могут использоваться для создания сложных квантовых состояний, необходимых для квантовых вычислений, симуляций и систем коррекции ошибок.

При этом сами авторы подчёркивают, что их подход не ограничен конкретной платформой. Он может быть реализован в любых системах, где есть линейные взаимодействия, зависящие от спина – а это довольно широкий класс квантовых устройств.

Следующий шаг – расширить этот метод на более сложные системы: например, на несколько осцилляторов или более крупные квантовые регистры. В случае успеха это может открыть путь к реализации универсальных квантовых вычислений на основе непрерывных переменных.