牛津大学的研究团队在量子物理学领域取得了里程碑式的突破：他们首次在实验平台上成功演示了"四重压缩"（quadsqueezing）——一种此前被认为难以实现的第四阶量子相互作用。这一成果于5月1日发表在《自然·物理学》（Nature Physics）期刊上。

什么是"压缩"？

在量子物理学中，“压缩”（squeezing）是一种重新分配量子不确定性的技术。根据海森堡不确定性原理，某些物理量对（如位置和动量）无法同时被精确测量。压缩技术通过提高一个量的测量精度，同时增加另一个量的不确定性，来突破这一限制。

压缩技术已经在实际应用中得到使用——例如，LIGO引力波探测器就利用了压缩光来提升灵敏度。

超越标准压缩

标准压缩只是更广泛相互作用谱系中的一部分。物理学家长期以来一直追求更复杂的形式，即"三重压缩"（trisqueezing）和"四重压缩"（quadsqueezing）。这些高阶效应之所以难以实现，是因为它们天然非常微弱，且极易被噪声淹没。

牛津团队的解决方案基于2021年Raghavendra Srinivas博士和Robert Tyler Sutherland提出的理论。他们在单个捕获离子上结合了两个精确控制的力。每个力单独作用时产生简单可预测的效果，但当同时施加时，由于"非对易性"——即作用顺序和组合会改变结果的量子效应——这些力会相互放大，产生更强大、更复杂的相互作用。

突破性成果

利用相同的实验装置，研究人员能够在不同级别的压缩之间切换。他们成功产生了标准压缩、三重压缩，以及首次在任何平台上实现的——四重压缩。

论文第一作者、牛津大学物理系的Oana Băzăvan博士表示：“在实验室中，非对易相互作用通常被视为一种干扰，因为它们会引入不需要的动态。我们采取了相反的方法，利用这一特性来生成更强的量子相互作用。”

Băzăvan博士进一步指出：“这一结果不仅仅是创造了一种新的量子态。它展示了一种全新的工程化相互作用的方法，使此前无法触及的效应变得触手可及。第四阶四重压缩相互作用的生成速度比传统方法预期的快了100倍以上。”

应用前景

这一技术在量子模拟、传感和计算领域具有广泛的应用前景。研究团队目前正在将这一方法扩展到具有多种运动模式的更复杂系统中。由于该技术依赖于许多量子平台已经具备的工具，它有可能成为一种广泛适用的探索高级量子行为的方式。

该方法的另一个创新之处在于，它已与离子自旋的电路内测量相结合，用于生成灵活的压缩态组合，并模拟格点规范理论。

研究共同负责人Srinivas博士表示：“从根本上说，我们展示了一种新型相互作用，让我们能够在未知的领域探索量子物理学，我们对未来的发现充满期待。”

来源：ScienceDaily、Nature Physics