Эксперимент превратил ранее теоретические объекты в программируемый ресурс для квантовых вычислений и сверхчувствительных сенсоров
Оксфордские физики впервые экспериментально создали произвольные суперпозиции неклассических состояний квантового гармонического осциллятора — от «сжатых» (squeezed) до «трисжатых» (trisqueezed) и «квадросжатых» (quadsqueezed).
До сих пор подобные комбинации описывались лишь теоретически, а практические реализации ограничивались «котами Шрёдингера» из когерентных волновых пакетов. Теперь же на одиночном ионе стронция-88 в ловушке Пауля удалось получить суперпозиции, где в роли компонент выступают состояния с перераспределённой квантовой неопределённостью, и — что важно — с полным контролем над относительными весами, фазами и пространственным разносом этих компонент.
Ключом стала гибридная схема: внутренние электронные уровни иона работают как кубит (точнее, кутрит с использованием вспомогательного состояния), а механические колебания иона — как квантовый гармонический осциллятор, способный занимать множество энергетических уровней. Спин-зависимые нелинейные взаимодействия разных порядков (k=2 для сжатия, k=3 для трисжатия, k=4 для квадросжатия) запутывали движение иона с его спиновым состоянием. Затем промежуточное измерение спина проектировало осциллятор в нужную суперпозицию — например, чётную или нечётную комбинацию сжатых пакетов. Добавив спин-зависимое смещение, авторы разносили эти пакеты в фазовом пространстве, получая аналоги «кота», но собранного не из когерентных, а из сугубо неклассических блоков. Меняя тип взаимодействия, можно было скомбинировать в одной суперпозиции сжатую и трисжатую составляющие с независимо заданными параметрами.
Физики построили карту состояния в фазовом пространстве и увидели на ней отчётливый интерференционный узор с провалами, уходящими в отрицательную область. В классической физике вероятность не может быть отрицательной, а здесь это прямой признак того, что получен не просто набор вероятностей, а полноценная квантовая суперпозиция — её не собрать никакой смесью обычных состояний.
Совпадение с численной моделью, учитывавшей реальный паразитный нагрев и начальную температуру осциллятора, превысило 90%. А главное — мера неклассичности (логарифмическая негативность Вигнера) у новых суперпозиций оказалась выше, чем у фоковских состояний или традиционных «котов Шрёдингера» при том же уровне колебательной энергии.
На практике это значит, что полученный объект труднее обсчитать на классическом компьютере, а для квантовых вычислений он — более мощный ресурс.
Практическое значение не сводится к рекорду. Разработанная методика универсальна и переносится на любые системы со связью «спин–осциллятор»: сверхпроводящие цепи, атомы в оптических резонаторах, наночастицы в ловушках. Это переводит сложные неклассические состояния из разряда математических упражнений в разряд инструментов для квантовой инженерии. Такие суперпозиции востребованы в вычислениях с непрерывными переменными, в протоколах коррекции ошибок, устойчивых к потерям, и в квантовой метрологии, где перенаправленный квантовый шум позволяет обойти стандартные пределы чувствительности. Авторы уже работают с теоретиками над количественной оценкой «квантовости» созданных состояний, но уже сейчас отмечают, что семейство практически доступных суперпозиций только начало пополняться.
