牛津大學的研究人員展示了一種使用單一捕獲離子的新型量子相互作用。透過仔細創建和控制日益複雜的「擠壓」形式（包括稱為四邊形擠壓的四階效應），他們使以前無法實現的量子行為變得可行。這項工作也提出了一種設計這些相互作用的新方法，並應用於量子模擬、感測和計算。調查結果已於今天（5 月 1 日）發布。 自然物理學。
許多物理系統的行為就像小型振盪物體，如彈簧或鐘擺。在量子物理學中，它們被稱為量子諧振子。這種描述適用於許多系統，從光波到分子振動，甚至單一被捕獲原子的運動。
控制這些振盪對於現代量子技術至關重要。應用範圍從高精度測量儀器到下一代量子電腦的開發。
量子精度和壓縮的限制
控制量子振盪器最常用的技術之一稱為箝位。量子力學對同時測量某些屬性（例如位置和動量）的準確程度設定了嚴格的限制。縮小範圍會重新分配這種不確定性，使一個屬性更精確，同時增加另一個屬性的不確定性。
這個概念不僅僅是理論上的。壓縮光已用於 LIGO 等重力波探測器中，以提高靈敏度。
擠壓超出標準
狹隘的標準只是更廣泛的可能相互作用的一部分。物理學家長期以來一直尋求創造更複雜的版本，稱為三擠壓和四擠壓。這些高端效果更難實現，因為它們本質上非常弱，噪音很快就會淹沒它們。
因此，觀察這些先進的量子相互作用仍然是一個重大挑戰。
一種利用往復力的新方法
牛津大學團隊透過精確組合作用於單一捕獲離子的兩個力來開發出解決方案。這一觀點是基於 Raghavendra Srinivas 博士和 Robert Tyler Sutherland 在 2021 年提出的理論。
每種力量都會自行產生簡單且可預測的效果。然而，當一起應用時，它們會產生更強大、更複雜的互動。這是由於非共同體，一種量子效應，其中行動的順序和組合改變了結果，使力量相互放大。
主要作者、牛津大學物理系 Oana Băzăvan 博士表示：“在實驗室中，非互易相互作用通常被視為一種障礙，因為它們會引入不需要的動力學。在這裡，我們採取了相反的方法，並利用這一特性來創建更強的量子相互作用。”
Quadsqueezing 的首次演示
使用相同的實驗設置，研究人員能夠在不同的壓縮等級之間切換。他們成功地產生了標準擠壓、三階擠壓，並且首次在任何平台上產生了四階擠壓，即四階互動。
透過調整施加力的頻率、相位和強度，他們能夠控制出現的相互作用，從而最大限度地減少不必要的影響。
Oana Băzăvan 博士表示：“結果不僅僅是創建了新的量子態。它展示了一種以前無法實現的工程相互作用的新方法。四階四邊擠壓相互作用的創建速度比使用傳統方法預期的速度快了 100 倍。這產生了在實踐中無法實現的效果。”
量子效應的確認
為了驗證他們的結果，研究小組重建了被捕獲離子的量子運動。測量結果揭示了對應於二階、三階和四階應變的不同模式。這些模式提供了明確的證據，表明每種類型的互動都已成功產生。
量子科技的未來應用
研究人員現在正在將這種方法擴展到具有多種運動模式的更複雜的系統。由於該技術依賴許多量子平台上已有的工具，因此它可以成為研究高階量子行為的一種非常有用的方法。
該方法已經與離子自旋的半電路測量相結合，以產生壓縮狀態的靈活組合併模擬晶格規範理論。
研究報告的作者、牛津大學物理系的 Raghavendra Srinivas 博士負責監督這項工作，他說：“我們在量子物理學的未知領域展示了一種全新的相互作用類型，我們對未來的發現感到非常興奮。”
