在混合振荡器—自旋系统中实现挤压、三重挤压与四重挤压

塑造最微小的振动

现代物理与技术的核心在于微小的振动，从光纤中的光到晶体中原子的运动。能够随意雕刻这些振动，将为更灵敏的传感器、新型量子计算机以及用于模拟复杂材料的工具打开大门。这项工作展示了如何利用一种熟悉的量子系统——被困的原子离子，以巧妙方式产生不寻常的振动形态，这些形态对经典计算机来说难以模拟。

从简单振动到被塑形的噪声

物理学家常用量子简谐振子来描述振动，这一模型涵盖了从电磁波到分子运动的各种现象。在最简单的情况下，这些振动表现为由所谓的高斯形状描述的柔和波动，标准设备能够很好地产生和控制它们。一个著名例子是“挤压”，即在降低振动某一可观测量的随机噪声的同时，以增加互补可观测量的噪声为代价。挤压态已经帮助例如引力波探测器在量子噪声中侦测到微弱信号。但要超越经典硬件容易模拟的范围，研究者需要以更奇异、非高斯的方式塑形振动。

将量子自旋作为控制旋钮

直接在振荡器中产生强烈的高阶效应（例如实现更奇异的挤压）通常既缓慢又技术上要求高。所需相互作用随阶数增加往往变得越来越弱，因此常需要定制的器件。牛津团队采取了不同路径，使用一种混合系统：一个被困的带电原子，其沿一个轴的运动作为振荡器，两个内能级作为量子“自旋”。他们不是直接让运动表现出非线性，而是施加两股精心选择的激光驱动力，每一股都将自旋线性耦合到运动上。由于这些力沿不同的自旋方向作用且不对易，它们的组合效应在运动上模拟出强得多的非线性行为。

调出不同类型的挤压

通过调节两股自旋相关力的频率偏移与相位，研究者可以选择生成哪种非线性交互。某些设定下，他们得到普通的挤压——在相空间中将量子噪声重塑为拉长的椭圆。稍作调整，同样的硬件可以产生“三重挤压”（trisqueezing）和“四重挤压”（quadsqueezing），这些高阶形式把运动雕刻成三叶或四叶的结构。团队通过重构这些态的维格纳函数（Wigner function）对其进行了详细验证，这是一种可视化振荡器完整量子态的方法。重构结果清晰显示了偏离简单高斯形状的特征，证实这些新态处于更复杂的量子范畴，对连续变量量子计算具有价值。

通向奇异量子运动的更快路径

该方法的一个关键优势是速度。因为非线性行为是由强而易得的线性耦合构建而成，产生四阶有效相互作用以实现四重挤压的强度，在相同激光功率下比直接方法高出一百倍以上。也就是说，目标态可以在无关噪声与退相干破坏它们之前生成出来。该方案还具有灵活性：原则上并不存在构造更高阶相互作用的根本极限，同样思想可推广到其他自旋—振荡器耦合的平台，如超导电路或钻石中的缺陷。

为量子技术提供新工具

简而言之，这项工作展示了如何将单个被困离子变成一个多用途的实验室，用以雕刻各种形状的量子振动，从轻微挤压到高度复杂的图案。这些非常规的振动态是未来处理以连续变量存储信息的量子计算机、突破噪声极限的高灵敏度测量以及模拟以玻色子为主角的复杂系统的有希望的要素。通过将离子的自旋作为控制旋钮，而不是为每种效应构建新硬件，研究者为在广泛的量子器件中生成强大非线性交互提供了实用配方。

引用: 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

关键词: 被困离子, 量子挤压, 非高斯态, 混合量子系统, 连续变量量子计算