2026年5月1日 -- 牛津大学的研究人员展示了一种利用单个囚禁离子实现的新型量子相互作用。通过创建和控制日益复杂的“压缩”形式——包括一种被称为四阶压缩的四阶效应——该团队首次使此前无法实现的量子效应在实验上变得可及。这种方法还提供了一种设计这些相互作用的新途径，在量子模拟、传感和计算领域具有潜在应用。研究结果已发表在《自然·物理学》上。

物理学中的许多系统都像来回振动或摆动的小物体，例如弹簧或摆锤。在量子物理学中，这些被称为量子谐振子。光波、分子中的振动，甚至单个囚禁原子的运动，都可以用这种方式描述。控制这些系统对于从超精密传感器到新型量子计算机等量子技术至关重要。

控制量子振荡器最著名的方法之一称为压缩。量子力学限制了某些成对属性（如位置和动量）可被同时精确知晓的程度。压缩重塑了这种不确定性：一个属性变得更加精确，而另一个则变得更加不确定。这不仅仅是一个理论趣谈；压缩光已被用于提高LIGO等引力波探测器的灵敏度。

但普通压缩只是更广泛的压缩相互作用家族的一部分。物理学家一直渴望更进一步，创造更强、更复杂的相互作用，即三阶压缩和四阶压缩。然而，到目前为止，这些相互作用在实践中极难实现。在大多数系统中，高阶效应自然非常微弱，并且随着阶数的增加，它们会迅速变得更弱。这意味着所需的量子行为往往在因噪声丢失之前就弱得无法观测。

该研究小组现在展示了一种解决这一问题的新方法。该团队没有试图直接驱动一个微弱的高阶相互作用，而是结合了作用在单个囚禁离子上的两个精心控制的力，遵循了Raghavendra Srinivas博士和Robert Tyler Sutherland博士（德克萨斯大学圣安东尼奥分校）于2021年提出的理论。每个力单独作用时产生一个简单的线性效应，但当它们共同作用时，会产生一种新的相互作用，其效果大于各部分之和。这源于一种称为非对易性的效应，其中两个力相互影响彼此的作用，从而在离子的运动中产生更强的相互作用。

“在实验室中，非对易相互作用通常被视为麻烦，因为它们会引入不想要的动力学行为，”该研究的主要作者、牛津大学物理系的Oana Băzăvan博士评论道。“在这里，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。”

使用相同的实验装置，该团队可以在不同类型的压缩之间切换，生成了压缩、三阶压缩，并且首次在任何平台上实现了四阶压缩，这是一种四阶相互作用。通过改变施加力的频率、相位和强度，他们可以选择哪种相互作用出现，同时抑制不想要的效应。

Băzăvan博士继续说道：“这一结果不仅仅是创造了一个新的量子态。它展示了一种设计此前无法实现的相互作用的新方法。四阶四阶压缩相互作用的生成速度比使用传统方法预期的快100倍以上。这使得此前遥不可及的效应在实践中变得可及。”

研究人员通过重建囚禁离子运动的量子态来确认这些相互作用。这些测量揭示了与二阶、三阶和四阶压缩相关的独特形状，为不同的相互作用提供了直接特征。

该方法现在正被扩展到具有多个运动模式的更复杂系统。由于它依赖于一系列量子平台中可用的基本要素，因此可能为新型量子模拟、传感和计算提供一条通用路径。结合对离子自旋的中间电路测量，该技术已被用于生成这些压缩态的任意叠加，并模拟一种晶格规范理论。

该研究的合著者、同样来自牛津大学物理系并指导该工作的Srinivas博士补充道：“从根本上说，我们展示了一种新型的相互作用，让我们能够探索未知领域的量子物理学，我们对即将到来的发现感到由衷的兴奋。”