W świecie kwantowym wiele zjawisk można opisać jako oscylatory harmoniczne, czyli układy przypominające drgające sprężyny lub wahadła. Dotyczy to zarówno światła, jak i drgań cząsteczek czy nawet ruchu pojedynczych atomów. Kontrola nad nimi stanowi fundament nowoczesnych technologii, takich jak czujniki o ekstremalnej precyzji czy przyszłe komputery kwantowe.
Jedną z kluczowych technik wykorzystywanych do takiej kontroli jest wspomniany squeezing, czyli ściskanie niepewności kwantowej. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności nie da się jednocześnie dokładnie określić pewnych par wielkości, na przykład położenia i pędu. Squeezing pozwala przekształcić tę niepewność – zwiększając precyzję jednej wielkości kosztem drugiej. Ta metoda znajduje już praktyczne zastosowania, między innymi w detektorach fal grawitacyjnych takich jak LIGO, gdzie zwiększa czułość pomiarów.
Czytaj też: Ten dziwny stan nie jest ani 2D, ani 3D. Kwantowe czary w wykonaniu chińskich fizyków
Dotychczas jednak naukowcy chcieli pójść znacznie dalej. Teoria przewidywała istnienie bardziej złożonych form oddziaływań, takich jak trisqueezing (trzeciego rzędu) oraz quadsqueezing (czwartego rzędu). Problem polegał na tym, iż im wyższy rząd interakcji, tym słabszy i trudniejszy do zaobserwowania efekt. W praktyce oznaczało to, że takie zjawiska ginęły w szumie zanim udało się je zmierzyć.
Zespół z Oksfordu znalazł jednak sposób na obejście tej bariery. Zamiast bezpośrednio wzmacniać bardzo słabe oddziaływania wyższego rzędu, badacze zastosowali sprytne rozwiązanie polegające na połączeniu dwóch prostszych sił działających na pojedynczy uwięziony jon. Kluczową rolę odegrało zjawisko nieprzemienności. W mechanice kwantowej kolejność działania operatorów ma znaczenie, a ich wzajemne oddziaływanie może prowadzić do nowych efektów.
W praktyce oznaczało to, że dwie stosunkowo proste interakcje (które osobno dawały jedynie liniowe efekty) połączone razem wygenerowały znacznie silniejsze, nieliniowe oddziaływanie. To właśnie ono odpowiada za uzyskanie quadsqueezingu. Co więcej, metoda okazała się niezwykle wydajna: uzyskany efekt był ponad sto razy silniejszy (lub osiągany szybciej) niż w tradycyjnych podejściach.
Eksperyment odbył się na pojedynczym jonie uwięzionym w pułapce elektromagnetycznej i kontrolowanym za pomocą precyzyjnie dostrojonych laserów. Naukowcy byli w stanie nie tylko wytworzyć quadsqueezing, lecz również płynnie przełączać się między różnymi jego formami – od klasycznego squeezing, przez trisqueezing, aż po oddziaływanie czwartego rzędu interakcje – zmieniając parametry eksperymentu, takie jak częstotliwość i faza oddziaływań.
Co można jeszcze powiedzieć? To demonstracja zupełnie nowej metody inżynierii oddziaływań kwantowych, czyli narzędzia, które może otworzyć drzwi do badań w dotąd niedostępnych reżimach fizyki. Potencjalne zastosowania są szerokie. Nowa technika może znaleźć wykorzystanie w symulacjach kwantowych złożonych układów fizycznych, w budowie bardziej czułych sensorów, a także w rozwijaniu komputerów kwantowych nowej generacji. Dzięki możliwości tworzenia bardziej złożonych stanów kwantowych naukowcy zyskują dostęp do “bogatszej” dynamiki, która wcześniej pozostawała jedynie w sferze teorii.
Co istotne, metoda opracowana w Oksfordzie nie jest ograniczona wyłącznie do jednego typu eksperymentu. Jak wskazują badacze, może ona zostać zaadaptowana w różnych platformach kwantowych, co czyni ją uniwersalnym narzędziem dla przyszłych badań i technologii. Ostatecznie osiągnięcie quadsqueezing można postrzegać jako przekroczenie kolejnej granicy w kontrolowaniu świata kwantowego.
Źródło: Nature Physics
