Физики впервые создали произвольные суперпозиции «сжатых» квантовых состояний

Исследователям из Оксфорда впервые удалось экспериментально реализовать произвольные суперпозиции сложных квантовых состояний гармонического осциллятора — от традиционно «сжатых» до экзотических «трисжатых» и «квадросжатых» варьяций.

Прежде подобные конфигурации существовали лишь на бумаге, а экспериментальные достижения ограничивались лишь «котами Шрёдингера», созданными из стандартных когерентных волновых пакетов. Теперь же на базе изолированного иона стронтия-88, удержанного в ловушке Пауля, ученые сформировали суперпозиции, где базовыми элементами выступают состояния с перераспределенной квантовой неопределенностью. При этом специалисты добились абсолютного контроля над амплитудами, фазовыми соотношениями и взаимным расположением этих компонентов в фазовом пространстве.

Фундаментом методики стала гибридная архитектура: внутренние энергетические уровни иона выполняют роль кубита (точнее, кутрита с задействованием вспомогательного подуровня), в то время как квантованные механические колебания иона играют роль гармонического осциллятора с развитой лестницей уровней. Нелинейные взаимодействия спина и движения различных порядков (где k=2 отвечает за сжатие, k=3 за трисжатие, а k=4 за квадросжатие) эффективно запутывали колебательную динамику со спиновыми степенями свободы. Последующее промежуточное измерение спина проецировало осциллятор в целевую суперпозицию — например, в четную или нечетную комбинацию сжатых пакетов. Внедрив спин-зависимое смещение, авторы развели эти пакеты в фазовом пространстве, получив принципиально новые аналоги «кота», состоящие не из когерентных, а из глубоко неклассических элементов. Варьируя тип связи, исследователи смогли объединить в рамках одной суперпозиции сжатые и трисжатые паттерны с независимой настройкой параметров.

Построив детальную карту состояний в фазовом пространстве, физики зафиксировали выраженную интерференционную картину с характерными провалами в отрицательную область. Поскольку в классической реальности вероятность не может принимать отрицательные значения, этот феномен выступает безусловным доказательством генерации чистой квантовой суперпозиции, которую невозможно воспроизвести простым смешиванием классических состояний.

Степень соответствия полученных результатов с теоретической моделью, учитывающей неизбежный фоновый нагрев и исходную температуру системы, превысила 90%. Более того, интегральный показатель неклассичности (логарифмическая негативность функции Вигнера) у новых суперпозиций превзошел показатели фоковских состояний и классических «котов Шрёдингера» при идентичной энергии колебаний.

Практический смысл этого достижения заключается в том, что созданные объекты экспоненциально сложнее для симуляции на традиционных компьютерах и представляют собой гораздо более мощный инструментарий для квантовых вычислений.

Значение работы выходит далеко за рамки установленного рекорда. Предложенный алгоритм носит универсальный характер и применим к любой платформе, использующей взаимодействие спина с осциллятором — будь то сверхпроводящие контуры, атомы внутри оптических резонаторов или левитирующие наночастицы. Данный подход трансформирует сложные квантовые феномены из области теоретической физики в практические инструменты квантовой инженерии. Подобные суперпозиции крайне востребованы в концепциях вычислений на непрерывных переменных, в устойчивых к потерям алгоритмах коррекции ошибок, а также в квантовой метрологии, где перераспределение шума позволяет преодолеть стандартный квантовый предел чувствительности. Научный коллектив уже ведет совместные изыскания с теоретиками для точной оценки «глубины квантовости» полученных состояний, подчеркивая, что палитра доступных для экспериментов конфигураций только начинает расширяться.

Источник: iXBT