Сжатие магнонов в квантовом режиме

Прислушиваясь к самым тихим магнитам

Ученые постоянно раздвигают границы измеримого — от слабейших рябей в пространственно-временном континууме до шепотов темной материи. Для этого нужны способы сдержать случайные квантовые флуктуации, которые обычно размывают любые тонкие сигналы. В этой работе показано, как подавить такие флуктуации в новом типе системы, состоящей из триллионов небольших магнитных моментов, действующих совместно. Превращая их возмущения в специальную «сжатую» форму, исследователи прокладывают путь к сверхчувствительным детекторам и к новым тестам того, где кончается квантовая физика и начинается повседневный опыт.

Множество спинов как единое целое

В некоторых кристаллах магнитные моменты бесчисленных атомов могут двигаться синхронно, проявляя себя как единый колеблющийся объект. Эти коллективные волны намагниченности называют магнонами. Команда работала с шариком из материала, известного как иттрий-железный гранат, диаметром всего в миллиметр, но содержащим примерно десять миллиардов миллиардов спинов. В таком шарике простейшее колебание — когда все спины прецессируют в унисон — ведет себя как очень чистый, долго живущий квантовый осциллятор. Именно поэтому такие сферы привлекают внимание как кандидаты для создания квантовых устройств, связывающих микроскопические схемы с макроскопическими, почти осязаемыми объектами.

Обучая магнит ощущать квантовое сжатие

Квантовое сжатие означает уменьшение неопределенности в одном свойстве системы при увеличении неопределенности в комплементарном, подобно тому, как круг возможных положений и импульсов превращается в узкую эллипсоиду. Для света это уже улучшило детекторы гравитационных волн. Но повторить тот же трюк с магнонами в большом твердом теле было сложно, потому что естественные взаимодействия, способные перекраивать их квантовый шум, крайне слабы. Авторы обходят эту проблему, помещая магнитную сферу и крошечную сверхпроводящую схему — транзмон-кубит — в общий микроволновый резонатор, охлажденный примерно до нескольких тысячных градуса выше абсолютного нуля. Резонатор позволяет кубиту и магнонному модусу сильно влиять друг на друга без постоянного обмена реальной энергией, создавая эффективное нелинейное взаимодействие, которое может формировать квантовое состояние магнонов.

Формирование и наблюдение квантового шума

Тщательно настраивая частоту кубита с помощью управляемого микроволнового воздействия, исследователи индуцируют в магнонном моде само-взаимодействие, известное как нелинейность Керра. Одновременно они аккуратно возбуждают магноны так, чтобы те не оставались в естественном основном состоянии. Под действием этой комбинации квантовое состояние магнонов постепенно сдвигается в абстрактном «фазовом пространстве», превращаясь из круглого пятна в искажённую, сжатую форму. Чтобы увидеть эту невидимую трансформацию, команда разработала магнон-усиленный Раман- процесс: двухэтапное взаимодействие, которое управляемо обменивает информацию между магнонами и кубитом. Используя кубит как зонд, они восстанавливают полный портрет состояния магнонов, известный как его функция Вигнера, в разные моменты эволюции.

Доказательство квантовой природы

Восстановленные портреты демонстрируют характерные признаки сжатия: одна квадрататура движения магнонов показывает уменьшенные флуктуации по сравнению с квантовым «вакуумом», в то время как ортогональная квадратаура становится более шумной. В количественном выражении снижение шума достигает примерно 1 децибела ниже вакуумного уровня. Важнее того, в течение всего эксперимента среднее число магнонов остаётся меньше единицы, что означает: эффект не является крупным классическим колебанием, а представляет собой подлинную перекройку крошечных квантовых флуктуаций. Команда также отслеживает распад этого хрупкого состояния. Когда индуцированное взаимодействие выключают, сжатая картина расслабляется обратно в круглую, несжатую форму на временной шкале порядка 145 миллиардных долей секунды. Если взаимодействие оставлять включенным, оно частично противодействует этому распаду, сохраняя видимое сжатие более чем в два раза дольше.

Новый инструмент для сверхточного сенсинга

Эта работа показывает, что даже твердое тело, содержащее огромное количество спинов, можно направлять в деликатно сжатое квантовое состояние и удерживать его достаточно долго для практического использования. Увеличение силы связи и дальнейшее совершенствование магнитного материала могут привести к более сильному сжатию и увеличению времени жизни состояния. Такие улучшения могут напрямую преобразоваться в более острое квантовое сенсорирование гравитационных волн, аксионов темной материи и других трудноуловимых явлений, а также предоставить новую площадку для изучения того, как квантовое поведение сохраняется — или разрушается — на макроскопических масштабах.

Цитирование: 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

Ключевые слова: квантовое сжатие, магноника, иттриево-железный гранат, гибридные квантовые системы, квантовая метрология