Учёные из Оксфорда впервые получили квантовое взаимодействие четвёртого порядка — это позволит углубиться в физику Вселенной

В квантовой механике нельзя одновременно знать точные значения ряда парных характеристик объектов, например, координаты электрона и его скорость (принцип неопределённости Гейзенберга). Можно получить точное значение лишь одного из параметров, ухудшив определение второго. Это называется сжатием, когда пространство вероятностей превращается из круга в эллипс. Но можно пойти дальше и добиться боле тонких соотношений, создав вместо эллипса лепестки и шипы.

О таком замечательноv прорыве сообщили учёные из Оксфордского университета (University of Oxford), которые впервые в мире продемонстрировали «квадросжатие» (quadsqueezing) — квантовое взаимодействие четвёртого порядка. Как и сжатие третьего порядка, сжатие четвёртого порядка считается явлением высшего порядка, ранее недостижимым экспериментально. Получить распределение вероятностей более сложной формы, чем эллипс, мешали шумы, которые маскировали более тонкие квантовые взаимодействия. Между тем способность регистрировать таковые открывает путь к более чувствительным датчикам. В частности, это может повысить чувствительность гравитационно-волновых обсерваторий, которые уже используют в детекторах явление сжатия второго порядка.

Для своего эксперимента исследователи использовали единственный захваченный ион, к которому применили две «тщательно контролируемые силы» — управляемые лазерные поля. Хотя каждая сила в отдельности производила простой линейный эффект, их некоммутативное взаимодействие порождало сильное нелинейное квантовое взаимодействие высшего порядка. Изменяя частоты, фазы и амплитуды сил, учёные могли избирательно активировать нужный тип сжатия, подавляя нежелательные эффекты. Сжатие четвёртого порядка удалось генерировать более чем в 100 раз быстрее, чем ожидалось при традиционных подходах.

Экспериментальный метод был подтверждён реконструкцией квантовых состояний движения иона, показавшей характерные формы для взаимодействий разных порядков. Теперь подход расширяют на многомодовые системы. Более того, предложенный метод совместим с различными квантовыми платформами (сверхпроводящими, на холодных атомах и других) и уже используется для генерации суперпозиций сжатых состояний и моделирования решёточной калибровочной теории. В сумме это открывает новые перспективы в квантовой симуляции, сверхточных датчиках и вычислениях.