Физики впервые создали экзотические суперпозиции сжатых квантовых состояний

Экспериментальный подход преобразовал ранее теоретические объекты в программируемый ресурс для квантовых вычислений и высокочувствительных сенсоров

Физики из Оксфорда впервые на практике создали произвольные суперпозиции неклассических состояний квантового гармонического осциллятора — от «сжатых» (squeezed) до «трисжатых» (trisqueezed) и «квадросжатых» (quadsqueezed).

Ранее такие сочетания существовали только в теории, а реальные реализации ограничивались «кошками Шрёдингера» из когерентных волновых пакетов. Теперь же на одном ионе стронция-88 в ловушке Пауля удалось достичь суперпозиции, где компоненты представлены состояниями с перераспределённой квантовой неопределённостью, и — что особенно важно — с полным контролем над относительными весами, фазами и пространственным разносом этих компонентов.

Ключом к успеху стала гибридная схема: внутренние электронные уровни иона функционируют как кубит (точнее, кутрит с использованием вспомогательного состояния), а механические колебания иона — как квантовый гармонический осциллятор, способный занимать множество энергетических уровней. Спин-зависимые нелинейные взаимодействия разных порядков (k=2 для сжатия, k=3 для трисжатия, k=4 для квадросжатия) запутывали движение иона с его спиновым состоянием. Затем промежуточное измерение спина проецировало осциллятор в нужную суперпозицию — например, чётную или нечётную комбинацию сжатых пакетов. Добавив спин-зависимое смещение, авторы разносили эти пакеты в фазовом пространстве, создавая аналоги «кота», но собранного не из когерентных, а из строго неклассических блоков. Изменяя тип взаимодействия, можно было объединить в одной суперпозиции сжатую и трисжатую составляющие с независимо заданными параметрами.

Физики составили карту состояния в фазовом пространстве и заметили на ней четкий интерференционный узор с провалами, уходящими в отрицательную область. В классической физике вероятность не может быть отрицательной, а здесь это явный признак того, что получена не просто совокупность вероятностей, а полноценная квантовая суперпозиция — её нельзя создать никакой смесью обычных состояний.

Совпадение с численной моделью, учитывающей реальный паразитный нагрев и начальную температуру осциллятора, превысило 90%. А важнее всего — мера неклассичности (логарифмическая негативность Вигнера) у новых суперпозиций оказалась выше, чем у фоковских состояний или традиционных «кошек Шрёдингера» при том же уровне колебательной энергии.

На практике это означает, что полученный объект сложнее обсчитать на классическом компьютере, а для квантовых вычислений он представляет собой более мощный ресурс.

Практическое значение не ограничивается достижением рекорда. Разработанная методика универсальна и может быть применена к любым системам со связью «спин–осциллятор»: сверхпроводящие цепи, атомы в оптических резонаторах, наночастицы в ловушках. Это переводит сложные неклассические состояния из области математических упражнений в категорию инструментов для квантовой инженерии. Такие суперпозиции востребованы в вычислениях с непрерывными переменными, в протоколах коррекции ошибок, устойчивых к потерям, и в квантовой метрологии, где перенаправленный квантовый шум позволяет обойти стандартные пределы чувствительности. Авторы уже ведут работу с теоретиками над количественной оценкой «квантовости» созданных состояний, но уже сейчас отмечают, что семейство практически доступных суперпозиций только начинает пополняться.