Oxford Üniversitesinden fizikçiler, kuantum sistemlerde bugüne kadar deneyle üretilemeyen yüksek dereceli kuantum etkileşimlerini ilk kez laboratuvarda gözlemledi. Araştırmacılar, “quadsqueezing” olarak adlandırılan dördüncü dereceden kuantum sıkıştırma etkileşiminin, tek bir tuzaklanmış iyon üzerinde başarıyla üretildiğini öne sürdü. Tuzaklanmış iyon, elektrik ve manyetik alanlarla oluşturulan bir “iyon tuzağı” içinde neredeyse hareketsiz hale getirilip çok hassas şekilde kontrol edilen yüklü atoma deniyor.
Kuantum fiziğinde birçok sistem, titreşen bir yay gibi davranan Kuantum harmonik osilatör modeliyle tanımlanıyor. Bu sistemlerde konum ve momentum gibi büyüklükler, Belirsizlik İlkesi nedeniyle aynı anda sınırsız hassasiyetle ölçülemiyor. “Squeezing” olarak bilinen teknik, bu belirsizliği yeniden dağıtarak bir değişkenin daha hassas ölçülmesini sağlıyor. Teknik halihazırda kütle çekim dalgalarının tespitinde kullanılan LIGO’da kullanılıyor.
Ancak geleneksel sıkıştırma yöntemleri yalnızca ikinci dereceden, yani görece basit etkileşimler üretmekle sınırlı kalıyor. Daha yüksek dereceli etkileşimler (trisqueezing (3. derece) ve quadsqueezing (4. derece)) teorik olarak bilinse de doğası gereği son derece zayıf olması nedeniyle daha önce deneyle gözlemlenememişti. Etkileşim derecesi arttıkça, sistemin çevredeki gürültüye karşı hassasiyeti artıyor ve kuantum davranışı hızla kayboluyor.
İki farklı kuvvetle aynı etki
Oxford ekibi bu temel sınırlamayı aşmak için doğrudan güçlü bir etkileşim üretmeye çalışmak yerine, iyonun titreşim hareketini kontrol eden iki ayrı lineer etkileşimi aynı anda uyguladı. Kuantum mekaniğinde “non-commutativity” olarak bilinen kavram, işlemlerin sırasına bağlı olarak farklı sonuçlar doğurması prensibine dayanıyor. Tek başına zayıf olan iki etkileşim, birlikte uygulandığında sistemde doğrusal olmayan, yüksek dereceli yeni bir etkileşim ortaya çıkarıyor.
Deneyde kullanılan sistem, elektromanyetik alanlarla hapsedilmiş bir stronsiyum iyonunun titreşim hareketine dayanıyor. Bu hareket bir kuantum harmonik osilatör gibi davranırken, iyonun içsel spin durumu ek bir kontrol parametresi olarak kullanılıyor. Araştırmacılar bu “spin-osilatör” hibrit yapıyı kullanarak, iki farklı spin yönlü kuvveti eşzamanlı olarak uyguluyor ve yalnızca bu kuvvetlerin frekansını değiştirerek ikinci, üçüncü ve dördüncü dereceden sıkıştırma durumlarını üretebiliyor.
Çalışmanın en önemli sonuçlarından biri, yüksek dereceli kuantum etkileşimlerin artık doğrudan üretmek yerine “tasarlanabilir” hale gelmesi. Araştırmacılar, bu yöntemin yalnızca tek bir iyonla sınırlı kalmadığını; çoklu sistemlere genişletilerek kuantum simülasyon, hassas ölçüm teknolojileri ve sürekli değişkenli kuantum bilgisayarlar için yeni nesil araçlar sunabileceğini vurguluyor.
Kaynak: Nature Physics