Сжатие, трисжатие и квадросжатие в гибридной системе осциллятор–спин

Формирование самых мелких колебаний

В основе современной физики и технологий лежат крошечные колебания — от света в оптических волокнах до движения атомов в кристалле. Умение управлять этими колебаниями открывает путь к более чувствительным датчикам, новым типам квантовых компьютеров и инструментам для моделирования сложных материалов. В этой работе показано, как взять хорошо знакомую квантовую систему — захваченный атомный ион — и с помощью хитрой схемы создавать необычно сформированные колебательные состояния, которые сложно смоделировать классическими компьютерами.

От простых колебаний к вылепленному шуму

Физики часто описывают колебания с помощью модели квантового гармонического осциллятора, которая охватывает всё — от электромагнитных волн до молекулярного движения. В простейшем случае эти колебания выглядят как мягкие волны, описываемые так называемыми гауссовыми формами, и стандартные устройства хорошо их генерируют и контролируют. Хорошо известный пример — «сжатие», когда случайный шум в одном свойстве колебания уменьшается за счёт увеличения шума в комплементарном свойстве. Сжатые состояния уже помогают таким приборам, как детекторы гравитационных волн, слышать слабые сигналы на фоне квантового шума. Но чтобы выйти за рамки того, что легко смоделировать классическим оборудованием, исследователям нужны колебания с более экзотической, негауссовой формой.

Использование квантового спина как регулятора

Прямое создание сильных эффектов высших порядков в осцилляторе, необходимых для более экзотических видов сжатия, обычно медленное и технически сложное. Требуемые взаимодействия становятся всё слабее с ростом порядка, и часто нужны специально разработанные устройства. Команда из Оксфорда идёт другим путём, используя гибридную систему: один заряженный атом в ловушке, где его движение вдоль одной оси служит осциллятором, а две внутренние энергетические уровни — квантовым «спином». Вместо того чтобы заставлять само движение быть нелинейным, они применяют две тщательно подобранные лазерно управляемые силы, которые каждая линейно связывают спин с движением. Поскольку эти силы тянут движение в разных спин-направлениях и не коммутируют друг с другом, их совместное действие имитирует гораздо более сильное нелинейное поведение движения.

Настройка разных типов сжатия

Настраивая частотные сдвиги и фазы двух спин-зависимых сил, исследователи могут выбирать, какое нелинейное взаимодействие генерировать. При одном выборе они получают обычное сжатие, которое преобразует квантовый шум в вытянутый овал в фазовом пространстве. При немного иных настройках то же самое оборудование производит «трисжатие» и «квадросжатие» — версии высших порядков, которые вырезают движение в трёх- и четырёхлопастные узоры. Команда детально подтверждает эти состояния, реконструируя их функции Вигнера — способ визуализировать полное квантовое состояние осциллятора. Эти реконструкции явно показывают отступления от простых гауссовых форм, подтверждая, что новые состояния находятся в более сложном квантовом режиме, ценном для непрерывновариантных квантовых вычислений.

Быстрые пути к экзотическому квантовому движению

Ключевое преимущество этого метода — скорость. Поскольку нелинейное поведение строится из сильных, легко доступных линейных связей, эффективное взаимодействие четвёртого порядка, порождающее квадросжатие, более чем в сто раз сильнее, чем прямой подход при той же мощности лазера. Это значит, что требуемые состояния можно создать задолго до того, как нежелательный шум и декогеренция успеют их разрушить. Схема также гибка: в принципе нет фундаментального предела тому, какой порядок взаимодействия можно сконструировать, и ту же идею можно адаптировать к другим платформам, где спины и осцилляторы связаны, например к сверхпроводящим схемам или дефектам в алмазе.

Новые инструменты для квантовых технологий

Проще говоря, эта работа демонстрирует, как превратить один захваченный ион в универсальную лабораторию для формирования квантовых колебаний самых разных форм — от мягко сжатых до крайне сложных узоров. Эти нестандартные колебательные состояния представляют собой перспективные компоненты для будущих квантовых компьютеров, работающих с информация в непрерывных переменных, для чувствительных измерений, расширяющих пределы шума, и для моделирования сложных систем, где роль бобонов существенна. Используя спин иона как регулятор вместо строительства нового оборудования для каждого эффекта, исследователи предлагают практический рецепт генерации мощных нелинейных взаимодействий в широком спектре квантовых устройств.

Цитирование: Băzăvan, O., Saner, S., Webb, D.J. et al. Squeezing, trisqueezing and quadsqueezing in a hybrid oscillator–spin system. Nat. Phys. 22, 757–762 (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03222-6

Ключевые слова: захваченные ионы, квантовое сжатие, негауссовыe состояния, гибридные квантовые системы, непрерывновариантные квантовые вычисления