Pesquisadores da Universidade de Oxford demonstraram um novo tipo de interação quântica usando um único íon aprisionado. Ao gerar e controlar cuidadosamente formas cada vez mais complexas de “compressão” – incluindo um efeito de quarta ordem chamado quadratura – eles tornaram acessível o comportamento quântico que anteriormente estava fora de alcance. O trabalho também apresenta uma nova forma de projetar essas interações, com aplicações potenciais em modelagem quântica, detecção e computação. Os resultados foram publicados hoje (1º de maio) em Física da natureza.
Muitos sistemas físicos comportam-se como pequenos objetos oscilantes, semelhantes a 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 único átomo preso.
Controlar essas flutuações é essencial para as tecnologias quânticas modernas. As aplicações variam desde ferramentas de medição extremamente precisas até o desenvolvimento de computadores quânticos de próxima geração.
Compressão e os limites da precisão quântica
Um dos métodos mais comuns de controle de osciladores quânticos é chamado de compressão. A mecânica quântica impõe limites estritos sobre a precisão com 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.
Este conceito não é apenas teórico. A luz comprimida já é usada em detectores de ondas gravitacionais como o LIGO para aumentar a sensibilidade.
Indo além da flexão padrão
A compressão padrão é apenas parte de um conjunto mais amplo de interações possíveis. Os físicos há muito procuram criar versões mais complexas, conhecidas como compressão tripla e quádrupla. Esses efeitos de ordem superior são muito mais difíceis de alcançar porque são inerentemente muito fracos e rapidamente são dominados pelo ruído.
Como resultado, observar essas interações quânticas avançadas continua sendo um grande desafio.
Um novo método usando forças não comutáveis
A equipe de Oxford desenvolveu uma solução combinando duas forças controladas com precisão que atuam em um único íon aprisionado. Esta abordagem é baseada em uma teoria proposta em 2021 pelo Dr. Raghavendra Srinivas e Robert Tyler Sutherland.
Cada poder por si só produz um efeito simples e previsível. No entanto, quando usados em conjunto, criam uma interação mais forte e complexa. Isto se deve à não comutatividade, um efeito quântico no qual a ordem e a combinação das ações alteram o resultado, permitindo que as forças se reforcem mutuamente.
Oana Băzăvan, autora principal, do Departamento de Física da Universidade de Oxford, disse:”No laboratório, as interações sem comutação são frequentemente vistas como um incômodo porque introduzem dinâmicas indesejadas. Aqui adotamos a abordagem oposta e usamos esse recurso para criar interações quânticas mais fortes. “
Primeira demonstração de Quadsqueezing
Usando a mesma configuração experimental, os pesquisadores conseguiram alternar entre diferentes níveis de compressão. Eles produziram com sucesso um aperto padrão, um aperto triplo e, pela primeira vez em qualquer plataforma, um aperto quádruplo, uma interação de quarta ordem.
Ajustando as frequências, fases e intensidade das forças aplicadas, eles poderiam controlar quais interações ocorriam, minimizando efeitos indesejados.
Oana Bezavan disse: “O resultado é mais do que a criação de um novo estado quântico. É uma demonstração de um novo método de interações de engenharia que antes eram inatingíveis. A interação quádrupla de quarta ordem foi criada mais de 100 vezes mais rápido do que o esperado usando abordagens convencionais. Ela torna disponíveis na prática efeitos que antes eram inatingíveis. “
Confirmação de efeitos quânticos
Para testar os resultados, a equipe recriou o movimento quântico do íon aprisionado. As medições revelaram padrões claros consistentes com compressão de segunda, terceira e quarta ordem. Estas amostras forneceram evidências claras de que cada tipo de interação foi estabelecida com sucesso.
Aplicações futuras da tecnologia quântica
Os pesquisadores estão agora estendendo este método a sistemas mais complexos com múltiplos modos de movimento. Como esta técnica depende de ferramentas já disponíveis em muitas plataformas quânticas, pode ser uma forma muito útil de estudar o comportamento quântico avançado.
Esta abordagem já foi combinada com medições de spin de íons no meio da cadeia para gerar combinações flexíveis de estados comprimidos e para modelar a teoria da rede de calibre.
O coautor do estudo, Dr. Raghavendra Srinivas (Departamento de Física da Universidade de Oxford), que liderou o trabalho, disse: “Essencialmente, demonstramos um novo tipo de interação que nos permite explorar a física quântica em território desconhecido, e estamos muito entusiasmados com futuras descobertas”.
