В квантовой физике невозможно одновременно с абсолютной точностью определить обе парные характеристики объекта, такие как положение электрона и его импульс (это известно как принцип неопределённости Гейзенберга). Достичь высокой точности по одному параметру можно лишь ценой потери точности в другом. Этот процесс именуется сжатием, при котором область вероятностей из окружности трансформируется в эллипс. Однако возможно продвинуться ещё дальше, получая более сложные конфигурации, где вместо эллипса возникают лепестки и шипы.
Источник изображений: University of Oxford
О таком выдающемся достижении объявили исследователи из Оксфордского университета, которым впервые в мире удалось продемонстрировать «квадросжатие» — квантовое взаимодействие четвёртого порядка. Как и сжатие третьего порядка, этот эффект относится к явлениям высшего порядка, которые ранее не удавалось получить экспериментально. Созданию распределения вероятностей более замысловатой формы, нежели эллипс, препятствовали шумы, скрывавшие более тонкие квантовые взаимодействия. Между тем умение фиксировать такие эффекты открывает дорогу к созданию более чувствительных сенсоров. В частности, это способно увеличить чувствительность обсерваторий гравитационных волн, которые уже применяют сжатие второго порядка в своих детекторах.
В ходе эксперимента учёные работали с единственным захваченным ионом, на который воздействовали двумя «тщательно контролируемыми силами» — управляемыми лазерными полями. Хотя каждая из сил по отдельности давала простой линейный результат, их некоммутативное взаимодействие порождало мощное нелинейное квантовое явление высшего порядка. Меняя частоты, фазы и амплитуды этих сил, исследователи могли целенаправленно активировать нужный тип сжатия, подавляя нежелательные эффекты. Сжатие четвёртого порядка удалось генерировать более чем в 100 раз быстрее, чем предсказывали традиционные методы.
Экспериментальная методика была подтверждена восстановлением квантовых состояний движения иона, которое выявило характерные формы для взаимодействий различных порядков. В настоящее время подход расширяется на многомодовые системы. Более того, предложенный метод совместим с разными квантовыми платформами (включая сверхпроводящие, на холодных атомах и другие) и уже применяется для создания суперпозиций сжатых состояний, а также для моделирования решёточной калибровочной теории. В совокупности это открывает новые горизонты в квантовом моделировании, создании сверхточных датчиков и квантовых вычислениях.
