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 compressão quadrilateral, eles estão tornando acessível um comportamento quântico anteriormente inatingível. O trabalho também apresenta uma nova maneira de projetar essas interações, com usos potenciais em simulação quântica, detecção e computação. As descobertas foram publicadas hoje (1º de maio) em física natural.
Muitos sistemas físicos comportam-se como pequenos objetos oscilantes, semelhantes a molas ou pêndulos. Na física quântica, eles são chamados de osciladores 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 oscilações é crucial para a tecnologia quântica moderna. 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
Uma das técnicas mais comuns para controlar osciladores quânticos é chamada de compressão. A mecânica quântica impõe limites estritos à precisão com que certas propriedades, como posição e momento, podem ser medidas simultaneamente. A compressão redistribui essa incerteza tornando um atributo mais preciso e aumentando a incerteza de outro atributo.
Este conceito não é apenas teórico. A luz comprimida tem sido usada em detectores de ondas gravitacionais, como o LIGO, para aumentar a sensibilidade.
Além da extrusão padrão
A compressão padrão é apenas parte de uma gama mais ampla de interações possíveis. Os físicos trabalham há muito tempo na criação de versões mais complexas, chamadas de compressão tripla e compressão quádrupla. Esses efeitos de ordem superior são mais difíceis de alcançar porque são de natureza muito fraca e são rapidamente superados pelo ruído.
Portanto, observar essas interações quânticas avançadas continua sendo um grande desafio.
Uma nova maneira de explorar forças não comutativas
A equipe de Oxford desenvolveu uma solução que combina duas forças controladas com precisão atuando em um único íon aprisionado. Esta abordagem baseia-se na teoria proposta pelo Dr. Raghavendra Srinivas e Robert Tyler Sutherland em 2021.
Cada força por si só produz um efeito simples e previsível. No entanto, quando aplicados em conjunto, criam interações mais fortes e complexas. Isto acontece devido à não comutabilidade, um efeito quântico em que a ordem e a combinação de ações alteram o resultado, fazendo com que as forças se amplifiquem umas às outras.
A autora principal, Oana Băzăvan, 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 exploramos esse recurso para produzir interações quânticas mais fortes. “
Primeira demonstração de extrusão de quatro lados
Usando a mesma configuração experimental, os pesquisadores conseguiram alternar entre diferentes graus de compressão. Eles geraram com sucesso contrações padrão, contrações de terceira ordem e, pela primeira vez em qualquer plataforma, contrações de quarta ordem ou interações de quarta ordem.
Ao ajustar a frequência, fase e intensidade da força aplicada, eles podem controlar as interações que ocorrem enquanto minimizam efeitos indesejados.
Oana Băzăvan disse: “O resultado é mais do que apenas a criação de novos estados quânticos. Ele demonstra uma nova forma de engenharia de interações que antes eram inatingíveis. A interação de compressão de quatro lados de quarta ordem foi gerada mais de 100 vezes mais rápido do que o esperado usando métodos tradicionais. Isso torna viáveis na prática efeitos anteriormente inatingíveis. “
Confirmando efeitos quânticos
Para verificar os resultados, a equipe reconstruiu o movimento quântico dos íons presos. As medições revelaram diferentes padrões correspondentes à extrusão de segunda, terceira e quarta ordem. Esses padrões fornecem evidências claras de que cada tipo de interação foi criado com sucesso.
Aplicações futuras da tecnologia quântica
Os investigadores estão agora a alargar esta abordagem a sistemas mais complexos com múltiplos modos de movimento. Como esta técnica depende de ferramentas já presentes em muitas plataformas quânticas, ela poderia se tornar um método amplamente útil para explorar o comportamento quântico avançado.
Este método foi combinado com medições de spins de íons no meio do circuito para gerar combinações flexíveis de estados comprimidos e simular a 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: “Essencialmente, demonstramos um novo tipo de interação que nos permite explorar a física quântica em territórios desconhecidos, e estamos realmente entusiasmados com as descobertas que estão por vir.”
