Wissenschaftler haben eine neue Methode zur Erzeugung leistungsstarker Quantenwechselwirkungen entwickelt und damit erstmals Quadsqueezing demonstriert.
Dieser Durchbruch macht bisher verborgene Quanteneffekte sichtbar und für fortschrittliche Technologien nutzbar.
Oxford-Wissenschaftler demonstrieren erstmals Quadsqueezing-Quantenwechselwirkung
Forscher amUniversität Oxfordhaben einen großen Fortschritt in der Quantenphysik erzielt, indem sie eine neue Art der Wechselwirkung mithilfe eines einzelnen gefangenen Ions demonstriert haben. Durch die sorgfältige Erzeugung und Kontrolle immer komplexerer Formen des „Squeezing“ – einschließlich eines Effekts vierter Ordnung namens Quadsqueezing – hat das Team Quantenverhalten beobachtbar gemacht, das zuvor unerreichbar war. Die Methode führt auch eine neue Möglichkeit ein, diese Wechselwirkungen zu entwerfen und zu steuern, mit möglichen Anwendungen in der Quantensimulation, Sensorik und Informatik. Die Ergebnisse wurden am 1. Mai veröffentlichtNaturphysik.
Quantenoszillatoren und ihre Rolle in der Technologie
Viele Systeme in der Physik verhalten sich wie winzige vibrierende Objekte, ähnlich wie Federn oder Pendel. In der Quantenwelt werden diese Quantenharmonische Oszillatoren genannt. Dieses Gerüst kann Lichtwellen, molekulare Schwingungen und sogar die Bewegung eines einzelnen Gefangenen beschreibenAtom.
Die Fähigkeit, diese Schwingungen zu kontrollieren, ist für eine Reihe von Quantentechnologien von entscheidender Bedeutung, darunter extrem empfindliche Messgeräte und neue Quantencomputer.
Wie Quetschen die Quantenpräzision verbessert
Eine weit verbreitete Methode zur Steuerung von Quantenoszillatoren ist das sogenannte Squeezing. In der Quantenmechanik gibt es Grenzen dafür, wie genau bestimmte Eigenschaftspaare wie Ort und Impuls gleichzeitig gemessen werden können. Durch das Zusammendrücken wird diese Unsicherheit neu verteilt, sodass eine Eigenschaft präziser gemessen werden kann, auf Kosten einer erhöhten Unsicherheit bei der anderen.
Dieser Effekt wird bereits in realen Anwendungen genutzt. Beispielsweise trägt gequetschtes Licht dazu bei, die Empfindlichkeit zu verbessernDetektoren wie z.
Über das Standardquetschen hinausgehen
Standard-Squeezing ist nur ein Teil einer breiteren Klasse von Interaktionen. Physiker streben seit langem danach, komplexere Versionen zu entwickeln, darunter Trisqueezing und Quadsqueezing. Diese Effekte höherer Ordnung sind viel schwieriger zu erreichen, da sie von Natur aus sehr schwach sind und mit zunehmender Ordnung noch schwächer werden. Dadurch gehen sie oft durch Rauschen verloren, bevor sie erkannt werden können.
Kräfte bündeln, um Quanteneffekte zu verstärken
Um diese Herausforderung zu meistern, entwickelte das Oxford-Team einen neuen Ansatz. Anstatt direkt zu versuchen, eine schwache Wechselwirkung höherer Ordnung zu erzeugen, kombinierten sie zwei präzise kontrollierte Kräfte, die auf ein einzelnes gefangenes Ion wirkten. Diese Methode folgt einer Theorie, die 2021 von Dr. Raghavendra Srinivas und Robert Tyler Sutherland vorgeschlagen wurde.
Jede Kraft allein erzeugt eine einfache, vorhersehbare Wirkung. Wenn sie jedoch zusammen verwendet werden, entsteht eine stärkere Interaktion, die über ihre individuellen Beiträge hinausgeht. Dieser Effekt entsteht durch Nichtkommutativität, bei der sich die Kräfte gegenseitig beeinflussen und die resultierende Bewegung des Ions verstärkt.
Hauptautorin Dr. Oana Băzăvan vom Fachbereich Physik der Universität Oxford sagte: „Im Labor werden nicht kommutierende Wechselwirkungen oft als störend empfunden, weil sie unerwünschte Dynamiken einführen. Hier haben wir den umgekehrten Ansatz gewählt und diese Funktion genutzt, um stärkere Quantenwechselwirkungen zu erzeugen.“
Erste Demonstration des Quadsqueezing
Mit demselben Versuchsaufbau konnten die Forscher zwischen verschiedenen Quetscharten wechseln. Sie erzeugten Standard-Squeezing, Trisqueezing und, zum ersten Mal auf einer Plattform, Quadsqueezing, eine Interaktion vierter Ordnung. Durch die Anpassung der Frequenzen, Phasen und Stärken der ausgeübten Kräfte konnten sie steuern, welche Wechselwirkungen auftraten, und gleichzeitig unerwünschte Effekte reduzieren.
Dr. Oana Băzăvan sagte: „Das Ergebnis ist mehr als die Schaffung eines neuen Quantenzustands. Es ist eine Demonstration einer neuen Methode zur Entwicklung von Wechselwirkungen, die zuvor unerreichbar waren. Die Quadsqueezing-Wechselwirkung vierter Ordnung wurde mehr als 100-mal schneller erzeugt als mit herkömmlichen Ansätzen erwartet. Dadurch werden Effekte, die zuvor unerreichbar waren, in der Praxis zugänglich.“
Überprüfung der Quantenzustände
Das Team bestätigte seine Ergebnisse, indem es die Quantenbewegung des gefangenen Ions rekonstruierte. Ihre Messungen zeigten deutliche Muster im Zusammenhang mit dem Zusammendrücken zweiter, dritter und vierter Ordnung. Diese Muster dienten als klarer Beweis dafür, dass jede Art von Interaktion erfolgreich hergestellt wurde.
Erweiterung hin zu komplexeren Quantensystemen
Die Forscher wenden diese Methode nun auf komplexere Systeme an, die mehrere Bewegungsmodi umfassen. Da die Technik Werkzeuge nutzt, die bereits in vielen Quantenplattformen verfügbar sind, könnte sie zu einer weit verbreiteten Methode zur Untersuchung fortgeschrittenen Quantenverhaltens werden.
Der Ansatz wurde bereits mit Messungen des Ionenspins in der Mitte des Schaltkreises kombiniert, um flexible Überlagerungen gequetschter Zustände zu erzeugen und eine Gittereichtheorie zu simulieren.
Der Co-Autor der Studie, Dr. Raghavendra Srinivas (Department of Physics, University of Oxford), der die Arbeit betreute, sagte: „Grundsätzlich haben wir eine neue Art von Interaktion demonstriert, die es uns ermöglicht, die Quantenphysik auf unbekanntem Gebiet zu erforschen, und wir sind wirklich gespannt auf die kommenden Entdeckungen.“
Referenz: „Squeezing, trisqueezing and quadsqueezing in a hybrid oscillator-spin system“ von O. Băzăvan, S. Saner, D. J. Webb, E. M. Ainley, P. Drmota, D. P. Nadlinger, G. Araneda, D. M. Lucas, C. J. Ballance und R. Srinivas, 1. Mai 2026,Naturphysik.
DOI: 10.1038/s41567-026-03222-6
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Wissenschaftler haben eine neue Methode zur Erzeugung leistungsstarker Quantenwechselwirkungen entwickelt und damit erstmals Quadsqueezing demonstriert.
Dieser Durchbruch macht bisher verborgene Quanteneffekte sichtbar und für fortschrittliche Technologien nutzbar.
Oxford-Wissenschaftler demonstrieren erstmals Quadsqueezing-Quantenwechselwirkung
Forscher amUniversität Oxfordhaben einen großen Fortschritt in der Quantenphysik erzielt, indem sie eine neue Art der Wechselwirkung mithilfe eines einzelnen gefangenen Ions demonstriert haben. Durch die sorgfältige Erzeugung und Kontrolle immer komplexerer Formen des „Squeezing“ – einschließlich eines Effekts vierter Ordnung namens Quadsqueezing – hat das Team Quantenverhalten beobachtbar gemacht, das zuvor unerreichbar war. Die Methode führt auch eine neue Möglichkeit ein, diese Wechselwirkungen zu entwerfen und zu steuern, mit möglichen Anwendungen in der Quantensimulation, Sensorik und Informatik. Die Ergebnisse wurden am 1. Mai veröffentlichtNaturphysik.
Quantenoszillatoren und ihre Rolle in der Technologie
Viele Systeme in der Physik verhalten sich wie winzige vibrierende Objekte, ähnlich wie Federn oder Pendel. In der Quantenwelt werden diese Quantenharmonische Oszillatoren genannt. Dieses Gerüst kann Lichtwellen, molekulare Schwingungen und sogar die Bewegung eines einzelnen Gefangenen beschreibenAtom.
Die Fähigkeit, diese Schwingungen zu kontrollieren, ist für eine Reihe von Quantentechnologien von entscheidender Bedeutung, darunter extrem empfindliche Messgeräte und neue Quantencomputer.
Wie Quetschen die Quantenpräzision verbessert
Eine weit verbreitete Methode zur Steuerung von Quantenoszillatoren ist das sogenannte Squeezing. In der Quantenmechanik gibt es Grenzen dafür, wie genau bestimmte Eigenschaftspaare wie Ort und Impuls gleichzeitig gemessen werden können. Durch das Zusammendrücken wird diese Unsicherheit neu verteilt, sodass eine Eigenschaft präziser gemessen werden kann, auf Kosten einer erhöhten Unsicherheit bei der anderen.
Dieser Effekt wird bereits in realen Anwendungen genutzt. Beispielsweise trägt gequetschtes Licht dazu bei, die Empfindlichkeit zu verbessernDetektoren wie z.
Über das Standardquetschen hinausgehen
Standard-Squeezing ist nur ein Teil einer breiteren Klasse von Interaktionen. Physiker streben seit langem danach, komplexere Versionen zu entwickeln, darunter Trisqueezing und Quadsqueezing. Diese Effekte höherer Ordnung sind viel schwieriger zu erreichen, da sie von Natur aus sehr schwach sind und mit zunehmender Ordnung noch schwächer werden. Dadurch gehen sie oft durch Rauschen verloren, bevor sie erkannt werden können.
Kräfte bündeln, um Quanteneffekte zu verstärken
Um diese Herausforderung zu meistern, entwickelte das Oxford-Team einen neuen Ansatz. Anstatt direkt zu versuchen, eine schwache Wechselwirkung höherer Ordnung zu erzeugen, kombinierten sie zwei präzise kontrollierte Kräfte, die auf ein einzelnes gefangenes Ion wirkten. Diese Methode folgt einer Theorie, die 2021 von Dr. Raghavendra Srinivas und Robert Tyler Sutherland vorgeschlagen wurde.
Jede Kraft allein erzeugt eine einfache, vorhersehbare Wirkung. Wenn sie jedoch zusammen verwendet werden, entsteht eine stärkere Interaktion, die über ihre individuellen Beiträge hinausgeht. Dieser Effekt entsteht durch Nichtkommutativität, bei der sich die Kräfte gegenseitig beeinflussen und die resultierende Bewegung des Ions verstärkt.
Hauptautorin Dr. Oana Băzăvan vom Fachbereich Physik der Universität Oxford sagte: „Im Labor werden nicht kommutierende Wechselwirkungen oft als störend empfunden, weil sie unerwünschte Dynamiken einführen. Hier haben wir den umgekehrten Ansatz gewählt und diese Funktion genutzt, um stärkere Quantenwechselwirkungen zu erzeugen.“
Erste Demonstration des Quadsqueezing
Mit demselben Versuchsaufbau konnten die Forscher zwischen verschiedenen Quetscharten wechseln. Sie erzeugten Standard-Squeezing, Trisqueezing und, zum ersten Mal auf einer Plattform, Quadsqueezing, eine Interaktion vierter Ordnung. Durch die Anpassung der Frequenzen, Phasen und Stärken der ausgeübten Kräfte konnten sie steuern, welche Wechselwirkungen auftraten, und gleichzeitig unerwünschte Effekte reduzieren.
Dr. Oana Băzăvan sagte: „Das Ergebnis ist mehr als die Schaffung eines neuen Quantenzustands. Es ist eine Demonstration einer neuen Methode zur Entwicklung von Wechselwirkungen, die zuvor unerreichbar waren. Die Quadsqueezing-Wechselwirkung vierter Ordnung wurde mehr als 100-mal schneller erzeugt als mit herkömmlichen Ansätzen erwartet. Dadurch werden Effekte, die zuvor unerreichbar waren, in der Praxis zugänglich.“
Überprüfung der Quantenzustände
Das Team bestätigte seine Ergebnisse, indem es die Quantenbewegung des gefangenen Ions rekonstruierte. Ihre Messungen zeigten deutliche Muster im Zusammenhang mit dem Zusammendrücken zweiter, dritter und vierter Ordnung. Diese Muster dienten als klarer Beweis dafür, dass jede Art von Interaktion erfolgreich hergestellt wurde.
Erweiterung hin zu komplexeren Quantensystemen
Die Forscher wenden diese Methode nun auf komplexere Systeme an, die mehrere Bewegungsmodi umfassen. Da die Technik Werkzeuge nutzt, die bereits in vielen Quantenplattformen verfügbar sind, könnte sie zu einer weit verbreiteten Methode zur Untersuchung fortgeschrittenen Quantenverhaltens werden.
Der Ansatz wurde bereits mit Messungen des Ionenspins in der Mitte des Schaltkreises kombiniert, um flexible Überlagerungen gequetschter Zustände zu erzeugen und eine Gittereichtheorie zu simulieren.
Der Co-Autor der Studie, Dr. Raghavendra Srinivas (Department of Physics, University of Oxford), der die Arbeit betreute, sagte: „Grundsätzlich haben wir eine neue Art von Interaktion demonstriert, die es uns ermöglicht, die Quantenphysik auf unbekanntem Gebiet zu erforschen, und wir sind wirklich gespannt auf die kommenden Entdeckungen.“
Referenz: „Squeezing, trisqueezing and quadsqueezing in a hybrid oscillator-spin system“ von O. Băzăvan, S. Saner, D. J. Webb, E. M. Ainley, P. Drmota, D. P. Nadlinger, G. Araneda, D. M. Lucas, C. J. Ballance und R. Srinivas, 1. Mai 2026,Naturphysik.
DOI: 10.1038/s41567-026-03222-6
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