Pesquisadores da Universidade de Oxford demonstraram um novo tipo de interação quântica usando um único íon aprisionado. Ao criar e controlar cuidadosamente conformações cada vez mais complexas – incluindo um efeito de quarta ordem chamado quadsqueezing – eles tornaram acessíveis comportamentos quânticos que antes estavam fora de alcance. O trabalho também apresenta uma nova forma de projetar essas interações, com potencial uso em simulações quânticas, detecção e computação. Os resultados foram divulgados hoje (1º de maio). Física da Natureza.
Muitos sistemas físicos se comportam como pequenos objetos oscilantes, como molas ou pêndulos. Na física quântica, eles são conhecidos como osciladores harmônicos quânticos. Esta descrição se aplica a uma ampla gama de sistemas, incluindo ondas de luz, vibrações moleculares e até mesmo o movimento de um átomo preso.
Controlar essas oscilações é essencial para a tecnologia quântica moderna. As aplicações variam desde ferramentas de medição altamente precisas até o desenvolvimento de computadores quânticos de próxima geração.
Espremer e os limites da precisão quântica
Uma das técnicas mais comuns para controlar osciladores quânticos é chamada de compressão. A mecânica quântica impõe limites estritos à medida em que certos pares de propriedades, como posição e momento, podem ser medidos simultaneamente. A compressão redistribui essa incerteza, tornando uma propriedade mais precisa e aumentando a incerteza em outra.
Esta ideia não é apenas teórica. A luz comprimida já é usada em detectores de ondas gravitacionais, como o LIGO, para aumentar a sensibilidade.
Além da compressão padrão
A compressão padrão é apenas uma parte de um conjunto mais amplo de interações possíveis. Há muito que os físicos pretendem criar versões mais complexas, conhecidas como trisqueezing e quadsqueezing. Esses efeitos de ordem superior são muito mais difíceis de alcançar porque são naturalmente muito fracos e rapidamente sobrecarregados pelo ruído.
Como resultado, observar essas interações quânticas avançadas tornou-se um grande desafio.
Um novo método usando forças não comutáveis
A equipe de Oxford desenvolveu uma solução combinando duas energias controladas com precisão atuando em um único íon aprisionado. Este método é baseado em uma teoria proposta em 2021 pelo Dr. Raghavendra Srinivas e Robert Tyler Sutherland.
Cada força produz um efeito próprio simples e previsível. Quando aplicados em conjunto, porém, formam uma interação mais forte e complexa. Isto é causado pela irreversibilidade, um efeito quântico onde a ordem e a combinação de ações alteram o resultado, permitindo que as energias se amplifiquem umas às outras.
O autor principal, Dr. Ona Bajavan, do Departamento de Física da Universidade de Oxford, disse:”No laboratório, as interações não pendulares são frequentemente vistas como um incômodo porque introduzem dinâmicas indesejadas. Aqui, adotamos a abordagem oposta e usamos essa propriedade para criar interações quânticas fortes. “
Primeira demonstração de quadsqueezing
Usando a mesma configuração experimental, os pesquisadores conseguiram alternar entre diferentes níveis de compressão. Eles desenvolveram com sucesso a compressão padrão, a trisqueezing e, pela primeira vez, a quadsqueezing, uma interação de quarta ordem, em qualquer plataforma.
Ao ajustar a frequência, a fase e a intensidade das forças aplicadas, eles poderiam controlar quais interações ocorriam, minimizando os efeitos indesejados.
Oana Bajavan disse: “O resultado é mais do que a criação de um novo estado quântico. É uma demonstração de uma nova abordagem para interações de engenharia que antes estavam fora de alcance. A interação quadsqueezing de quarta ordem foi criada 100 vezes mais rápido do que o esperado usando métodos convencionais. Ela fornece efeitos que antes eram inacessíveis na prática.”
Confirmando o efeito quântico
Para verificar os resultados, a equipe reconstruiu o movimento quântico do íon aprisionado. As medições revelaram padrões distintos associados à compressão de segunda, terceira e quarta ordem. Esses padrões forneceram evidências claras de que cada tipo de interação foi construído com sucesso.
Aplicações futuras em tecnologia quântica
Os investigadores estão agora a alargar esta abordagem a sistemas mais complexos com múltiplos modos. Como a técnica depende de ferramentas já disponíveis em muitas plataformas quânticas, ela poderia se tornar uma forma amplamente útil de explorar o comportamento quântico avançado.
A abordagem já foi combinada com medições de spins de íons no meio do circuito para produzir combinações flexíveis dos estados suprimidos e simular uma teoria de calibre de rede.
O co-autor do estudo, Dr. Raghavendra Srinivas (Departamento de Física da Universidade de Oxford), que supervisionou o trabalho, disse: “Fundamentalmente, demonstramos um novo tipo de interação que nos permite explorar a física quântica em território desconhecido, e estamos realmente entusiasmados com a descoberta.”
