I ricercatori dell’Università di Oxford hanno dimostrato un nuovo tipo di interazione quantistica utilizzando un singolo ione intrappolato. Creando e controllando forme di “compressione” sempre più complesse – tra cui un effetto di quarto ordine noto come quadsqueezing – il team ha reso, per la prima volta, accessibili sperimentalmente effetti quantistici precedentemente irraggiungibili.
Questo approccio offre anche un nuovo modo per progettare queste interazioni, con potenziali applicazioni nella simulazione quantistica, nella sensoristica e nel calcolo. I loro risultati sono stati pubblicati su Nature Physics .
In fisica, molti sistemi si comportano come minuscoli oggetti che vibrano o oscillano avanti e indietro, come una molla o un pendolo. Nella fisica quantistica, questi sono noti come oscillatori armonici quantistici. Le onde luminose, le vibrazioni nelle molecole e persino il movimento di un singolo atomo intrappolato possono essere descritti in questo modo. Il controllo di questi sistemi è fondamentale per le tecnologie quantistiche, dai sensori ultra-precisi ai nuovi tipi di computer quantistici.
Uno dei metodi più noti per controllare un oscillatore quantistico è chiamato squeezing. La meccanica quantistica pone un limite alla precisione con cui determinate coppie di proprietà, come posizione e quantità di moto, possono essere conosciute simultaneamente.
La compressione rimodella questa incertezza: una proprietà diventa più definita, mentre l’altra diventa più incerta. Non si tratta solo di una curiosità; la luce compressa viene già utilizzata per migliorare la sensibilità dei rivelatori di onde gravitazionali come LIGO.
Ma la compressione ordinaria è solo una parte di una famiglia più ampia di interazioni di compressione. I fisici desiderano da tempo spingersi oltre, creando interazioni più forti e complesse note come tricompressione e quadrupla compressione.
Finora, tuttavia, queste interazioni si sono rivelate estremamente difficili da realizzare nella pratica. Nella maggior parte dei sistemi, gli effetti di ordine superiore sono naturalmente molto deboli e si indeboliscono ulteriormente con l’aumentare dell’ordine. Ciò significa che il comportamento quantistico desiderato è spesso troppo debole per essere osservato prima di essere sommerso dal rumore.
Il gruppo ha ora dimostrato una nuova soluzione a questo problema. Invece di tentare di indurre direttamente una debole interazione di ordine superiore, il team ha combinato due forze attentamente controllate che agiscono su un singolo ione intrappolato, seguendo una teoria proposta dal Dr. Raghavendra Srinivas e da Robert Tyler Sutherland nel 2021.
Ciascuna forza, presa singolarmente, produce un effetto semplice e lineare, ma quando vengono applicate insieme, generano una nuova interazione che è superiore alla somma delle singole parti. Questo fenomeno è noto come non commutatività, per cui le due forze si influenzano reciprocamente, generando un’interazione più forte nel movimento dello ione.
La dottoressa Oana Băzăvan, autrice principale dello studio e docente presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Oxford, ha dichiarato: “In laboratorio, le interazioni non commutative sono spesso considerate un fastidio perché introducono dinamiche indesiderate. Qui, abbiamo adottato l’approccio opposto e abbiamo sfruttato questa caratteristica per generare interazioni quantistiche più forti”.
Utilizzando la stessa configurazione sperimentale, il team è stato in grado di passare da un tipo di compressione all’altro, generando compressioni multiple, triple e, per la prima volta su qualsiasi piattaforma, quadruple, un’interazione di quarto ordine. Modificando le frequenze, le fasi e l’intensità delle forze applicate, hanno potuto selezionare quale interazione si manifestasse, sopprimendo al contempo gli effetti indesiderati.
La dottoressa Oana Băzăvan ha affermato: “Il risultato va ben oltre la creazione di un nuovo stato quantistico. Si tratta della dimostrazione di un nuovo metodo per ingegnerizzare interazioni che prima erano irraggiungibili. L’interazione di quadrupla compressione del quarto ordine è stata generata oltre 100 volte più velocemente del previsto utilizzando approcci convenzionali. Questo rende accessibili nella pratica effetti che prima erano irrealizzabili.”
I ricercatori hanno confermato le interazioni ricostruendo gli stati quantistici di movimento dello ione intrappolato. Queste misurazioni hanno rivelato forme distintive associate alla compressione di secondo, terzo e quarto ordine, fornendo una firma diretta delle diverse interazioni.
Il metodo viene ora esteso a sistemi più complessi con molteplici modalità di movimento. Poiché si basa su elementi disponibili in una vasta gamma di piattaforme quantistiche, potrebbe fornire un percorso generale verso nuove forme di simulazione, rilevamento e calcolo quantistico.
Già in precedenza, in combinazione con a metà circuito , la tecnica è stata utilizzata per generare sovrapposizioni arbitrarie di questi stati compressi e per simulare una teoria di gauge su reticolo. misurazioni dello spin dello ione effettuate
Il coautore dello studio, il dottor Raghavendra Srinivas (Dipartimento di Fisica, Università di Oxford), che ha supervisionato il lavoro, ha affermato: “Fondamentalmente, abbiamo dimostrato un nuovo tipo di interazione che ci permette di esplorare la fisica quantistica in un territorio inesplorato, e siamo davvero entusiasti delle scoperte future”.
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