Оксфордские физики впервые создали программируемые суперпозиции из сжатых квантовых состояний

Группа физиков из Оксфордского университета впервые экспериментально получила произвольные суперпозиции неклассических состояний квантового гармонического осциллятора. В качестве основы использовался одиночный ион стронция-88, удерживаемый в ловушке Пауля. Ранее подобные комбинации существовали только в теории, а практические эксперименты ограничивались так называемыми котами Шрёдингера из когерентных волновых пакетов.

Новая работа позволяет создавать суперпозиции не из простых когерентных состояний, а из состояний с перераспределённой квантовой неопределённостью: сжатых (squeezed), трисжатых (trisqueezed) и квадросжатых (quadsqueezed). Учёные получили полный контроль над относительными весами, фазами и пространственным разносом этих компонент, что делает такие состояния программируемым ресурсом.

Ключевым элементом стала гибридная схема, в которой внутренние электронные уровни иона играют роль кубита (точнее, кутрита с дополнительным вспомогательным состоянием), а механические колебания иона представляют собой квантовый осциллятор. Спин-зависимые нелинейные взаимодействия разных порядков запутывали движение иона с его спином. Затем промежуточное измерение спина проектировало осциллятор в нужную суперпозицию.

Экспериментаторы построили карту состояния в фазовом пространстве и обнаружили интерференционный узор с провалами, уходящими в отрицательную область. В классической физике вероятность не может быть отрицательной, поэтому это прямое доказательство того, что получена настоящая квантовая суперпозиция, а не смесь обычных состояний. Совпадение с численной моделью составило более 90%.

Особый интерес представляет мера неклассичности состояний — логарифмическая негативность Вигнера. У новых суперпозиций она оказалась выше, чем у фоковских состояний или традиционных котов Шрёдингера при том же уровне колебательной энергии. Это означает, что такие объекты сложнее обсчитать на классическом компьютере, что делает их более мощным ресурсом для квантовых вычислений.

Практическое значение работы не ограничивается рекордом. Методика универсальна и может применяться в других системах со связью спин–осциллятор: сверхпроводящих цепях, атомах в оптических резонаторах, наночастицах в ловушках. Созданные суперпозиции востребованы в квантовых вычислениях с непрерывными переменными, протоколах коррекции ошибок и квантовой метрологии, где перераспределение квантового шума позволяет обойти стандартные пределы чувствительности.

Авторы уже сотрудничают с теоретиками для количественной оценки квантовости полученных состояний. По их словам, семейство практически доступных суперпозиций только начинает расширяться, и в ближайшее время можно ожидать новых экспериментов в этом направлении.