Ściskanie magnonów w reżimie kwantowym

Słuchając najcichszych magnesów

Naukowcy nieustannie przesuwają granice tego, co da się zmierzyć — od słabych zaburzeń czasoprzestrzeni po szepty ciemnej materii. Aby to robić, potrzebują metod poskramiania losowych kwantowych drżeń, które zwykle rozmywają każdego małego sygnału. Artykuł pokazuje, jak uspokoić te fluktuacje w nowym rodzaju układu złożonego z bilionów małych momentów magnetycznych działających wspólnie. Kształtując ich fluktuacje w specjalną „ściśniętą” postać, badacze otwierają drogę do ultrasensytywnych detektorów i nowych testów, gdzie kończy się fizyka kwantowa, a zaczyna codzienne doświadczenie.

Wiele spinów działających jak jedno

W niektórych kryształach momenty magnetyczne niezliczonych atomów mogą poruszać się synchronicznie, zachowując się jak jeden drgający obiekt. Te zbiorowe zaburzenia magnetyzacji nazywane są magnonami. Zespół pracował z kulą z materiału znanego jako granat żelaza z itrmetalu (yttrium iron garnet), o średnicy zaledwie milimetra, lecz zawierającą około dziesięciu biliardów spinów. W tej kuli najprostsze drganie — gdy wszystkie spiny precesują zgodnie — zachowuje się jak bardzo czysty, długożyjący oscylator kwantowy. Z tego powodu takie kule są atrakcyjnymi kandydatami do budowy urządzeń kwantowych łączących świat mikroskopijnych obwodów z makroskopowymi, niemal namacalnymi obiektami.

Nauka magnetu odczuwania kwantowego ściśnięcia

Ściskanie kwantowe oznacza zmniejszenie niepewności jednej wielkości układu przy jednoczesnym zwiększeniu niepewności w wielkości dopełniającej — podobnie jak przemiana koła możliwych położeń i pędów w wąskie elipsy. Dla światła ta technika już poprawiła obserwatoria fal grawitacyjnych. Jednak wykonanie tego samego dla magnonów w dużym ciele stałym było trudne, ponieważ naturalne oddziaływania zdolne do przekształcania ich kwantowego szumu są wyjątkowo słabe. Autorzy rozwiązują to, umieszczając magnetyczną kulę i mały nadprzewodzący obwód zwany kubitem transmon we wspólnej mikrofalowej studni rezonansowej schłodzonej do około kilku tysięcznych stopnia powyżej zera bezwzględnego. Studnia pozwala kubitowi i trybowi magnona silnie na siebie wpływać bez ciągłej wymiany realnej energii, tworząc efektywne nieliniowe oddziaływanie, które może kształtować stan kwantowy magnona.

Kształtowanie i obserwacja kwantowego szumu

Poprzez staranne strojenie częstotliwości kubitu przy użyciu kontrolowanego napędu mikrofalowego, badacze inżynierują samo-oddziaływanie w trybie magnona znane jako nieliniowość Kerra. Jednocześnie delikatnie napędzają magnony, aby nie pozostawały w naturalnym stanie podstawowym. Pod wpływem tego skojarzonego działania stan kwantowy magnonów stopniowo się ścina w abstrakcyjnej „przestrzeni fazowej”, ewoluując z okrągłej plamy w zdeformowaną, ściśniętą formę. Aby zobaczyć tę niewidoczną transformację, zespół opracowuje proces Ramanowski wspomagany magnonami: dwuetapowe oddziaływanie, które wymienia informację między magnonami a kubitem w kontrolowany sposób. Używając kubitu jako sondy, rekonstruują pełny portret stanu magnona, znany jako jego funkcja Wignera, dla różnych czasów ewolucji.

Dowodząc, że to naprawdę kwantowe

Zrekonstruowane portrety ujawniają charakterystyczne sygnatury ściśnięcia: jedna składowa (kwadratura) ruchu magnona wykazuje zmniejszone fluktuacje w porównaniu z kwantowym „pustym” stanem (vacuum), podczas gdy ortogonalna kwadratura jest bardziej zaszumiona. Ilościowo redukcja szumu sięga około 1 decybela poniżej poziomu vacuum. Co kluczowe, przez cały eksperyment średnia liczba magnonów pozostaje poniżej jednego, co oznacza, że efekt nie jest dużym, klasycznym drganiem, lecz autentycznym przekształceniem drobnych fluktuacji kwantowych. Zespół śledzi też, jak ten kruchy stan zanika. Gdy skonstruowane oddziaływanie zostaje wyłączone, ściśnięty wzór relaksuje z powrotem do okrągłej, niesciśniętej formy w skali czasu około 145 miliardowych części sekundy. Gdy oddziaływanie pozostaje włączone, częściowo przeciwdziała temu rozkładowi, utrzymując widoczne ściśnięcie przez ponad dwa razy dłużej.

Nowe narzędzie do ultradokładnego pomiaru

Praca pokazuje, że nawet stały obiekt zawierający ogromną liczbę spinów można sprowadzić do delikatnie ściśniętego stanu kwantowego i utrzymać go wystarczająco długo, by był użyteczny. Poprzez zwiększenie siły sprzężenia i dalsze udoskonalanie materiału magnetycznego, silniejsze ściśnięcie i dłuższe czasy życia powinny być osiągalne. Takie ulepszenia mogą przełożyć się bezpośrednio na ostrzejsze czujniki kwantowe do wykrywania fal grawitacyjnych, aksjonów ciemnej materii i innych nieuchwytnych zjawisk, a także zaoferować nowe pole do badania, jak zachowanie kwantowe przetrwa — lub nie przetrwa — na makroskopowych skalach.

Cytowanie: Weng, YC., Xu, D., Chen, Z. et al. Magnon squeezing in the quantum regime. Nat Commun 17, 2679 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69312-4

Słowa kluczowe: ściskanie kwantowe, magnonika, granat żelaza z itrmetalu (yttrium iron garnet), hybrydowe systemy kwantowe, metrologia kwantowa