量子突破将简单的力变成强大的新相互作用

诸平

据英国牛津大学（University of Oxford）2026年5月8日提供的消息，该校研究人员的研究结果实现了量子突破，将简单的力变成强大的新相互作用（Quantum Breakthrough Turns Simple Forces Into Powerful New Interactions）。

Fig. 1 Experimental trapped-ion setup used to generate the family of squeezed states. The ion is confined between electrode structures and controlled using precisely tuned laser fields. Credit: David Nadlinger

牛津大学的科学家们创造了一种产生强大量子相互作用的新方法，实现了首次四阶压缩的演示。这一突破使以前隐藏的量子效应变得可见，并可用于先进技术。

牛津大学科学家首次展示了四阶压缩量子相互作用（Oxford Scientists Demonstrate First-Ever Quadsqueezing Quantum Interaction）

牛津大学的研究人员通过展示一种利用单个捕获离子的新型相互作用，在量子物理学方面取得了重大进展。通过小心翼翼地产生和控制日益复杂的压缩形式，包括四阶压缩效应（quadsqueezing），该团队已经使以前遥不可及的量子行为得以观察到。该方法还引入了一种设计和控制这些相互作用的新方法，可能应用于量子模拟、传感和计算。相关研究结果于2026年5月1日已经《自然物理》（Nature Physics）杂志网站发表——O. Băzăvan, S. Saner, D. J. Webb, E. M. Ainley, P. Drmota, D. P. Nadlinger, G. Araneda, D. M. Lucas, C. J. Ballance, R. Srinivas. Squeezing, trisqueezing and quadsqueezing in a hybrid oscillator–spin system, Nature Physics, 1 May 2026. DOI: 10.1038/s41567-026-03222-6.

量子振荡器及其在技术中的作用(Quantum Oscillators and Their Role in Technology)

许多物理系统的行为就像微小的振动物体，类似于弹簧或钟摆。在量子世界中，这些被称为量子谐振子(quantum harmonic oscillators)。这个框架可以描述光波、分子振动，甚至单个被捕获原子的运动。控制这些振荡的能力对于一系列量子技术至关重要，包括极其敏感的测量设备和新兴的量子计算机。

Fig. 2 Artist’s impression of two non-commuting forces generating nonlinear interactions. Their combined action produces richer dynamics than either force alone. Credit: Eliza Wolfson

压缩如何提高量子精度(How Squeezing Improves Quantum Precision)

一种广泛使用的控制量子振荡器的方法被称为压缩(squeezing)。在量子力学中，如何精确地测量某些属性对（如位置和动量）是有限制的。压缩重新分配了这种不确定性，以增加另一种特性的不确定性为代价，使一种特性得到更精确的测量。这种效果已经在实际应用中得到了应用。例如，压缩光有助于提高像LIGO这样的引力波探测器的灵敏度。

超越标准压缩(Moving Beyond Standard Squeezing)

标准压缩只是更广泛的相互作用的一部分。物理学家长期以来一直致力于创造更复杂的版本，包括三阶压缩和四阶压缩。这些高阶效果很难实现，因为它们本来就很弱，而且随着阶数的增加而变得更弱。因此，它们经常在被检测到之前就已经消失在噪音之中。

合力放大量子效应（Combining Forces to Amplify Quantum Effects）

为了克服这一挑战，牛津大学的研究小组开发了一种新方法。他们没有直接尝试产生微弱的高阶相互作用，而是将两种精确控制的力结合在一起，作用于一个被捕获的离子上。这种方法遵循Raghavendra Srinivas博士和Robert Tyler Sutherland在2021年提出的理论。

每一种力单独产生一种简单、可预测的效果。然而，当它们一起使用时，它们创造了一种更强的互动，超越了它们的各自贡献之合。这种效应是由非交换性（non-commutativity）引起的，在非交换性中，力以一种放大离子运动的方式相互影响。

牛津大学物理系的首席作者Oana Băzăvan博士说：“在实验室里，非通勤互动（non-commuting interactions）通常被视为一种麻烦，因为它们引入了不必要的动态。在这里，我们采取了相反的方法，并利用这一特性来产生更强的量子相互作用。”

四阶压缩的首次演示（First Demonstration of Quadsqueezing）

使用相同的实验装置，研究人员能够在不同类型的压缩之间切换。他们产生了标准压缩，三阶压缩，以及在任何平台上首次出现的四阶压缩，即一种四阶相互作用。通过调整频率、相位和施加力的强度，他们可以控制哪些相互作用出现，同时减少不必要的影响。

Oana Băzăvan博士说：“结果不仅仅是创造了一个新的量子态。它展示了一种以前无法实现的工程交互的新方法。四阶四次压缩相互作用（fourth-order quadsqueezing interaction）的产生速度比传统方法快100倍以上。这使得以前无法达到的效果在实践中可以实现。”

验证量子态（Verifying the Quantum States）

该团队通过重建被捕获离子的量子运动来证实他们的结果。他们的测量揭示了与二阶、三阶和四阶压缩有关的独特模式。这些模式清楚地表明，每种类型的相互作用已经成功地产生了。

向更复杂的量子系统扩展（Expanding Toward More Complex Quantum Systems）

研究人员现在正将这种方法应用于涉及多种运动模式的更复杂的系统。由于该技术使用的工具已经在许多量子平台上可用，因此它可能成为研究高级量子行为的广泛适用方法。这种方法已经与离子自旋的中路测量（mid-circuit measurements）相结合，创造了压缩态的柔性叠加，并模拟了晶格规范理论（lattice gauge theory）。

研究报告的合著者、牛津大学物理系的Raghavendra Srinivas博士监督了这项工作，他说：“从根本上讲，我们已经展示了一种新型的相互作用，使我们能够在未知的领域探索量子物理学，我们对即将到来的发现感到非常兴奋。”

这项工作得到了美国陆军研究办公室｛US Army Research Office (W911NF-20-1-0038)｝和英国EPSRC量子计算与模拟中心｛UK EPSRC Hub in Quantum Computing and Simulation (EP/T001062/1)｝的支持。也得到了牛津默顿学院（Merton College, Oxford）、UKRI FL奖学金（UKRI FL Fellowship）、EPSRC奖学金｛EPSRC Fellowship EP/W028026/1｝以及牛津贝利奥尔学院（Balliol College, Oxford）的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Reference: “Squeezing, trisqueezing and quadsqueezing in a hybrid oscillator–spin system” by O. Băzăvan, S. Saner, D. J. Webb, E. M. Ainley, P. Drmota, D. P. Nadlinger, G. Araneda, D. M. Lucas, C. J. Ballance and R. Srinivas, 1 May 2026, Nature Physics. DOI: 10.1038/s41567-026-03222-6

Abstract

Quantum harmonic oscillators model phenomena from electromagnetic fields to molecular vibrations, with excitations represented by bosons such as photons or phonons. Linear interactions that create or annihilate single bosons generate coherent states of light or motion. Introducing higher-order nonlinear interactions produces richer quantum behaviour: second-order interactions enable squeezing, whereas higher-order interactions generate non-Gaussian states useful for continuous-variable quantum computation. However, such interactions are usually weak or require specialized hardware. Hybrid systems, where a linear interaction couples an oscillator to a spin, offer an alternative. Here we combine two spin-dependent linear bosonic interactions to implement up to fourth-order nonlinear bosonic interactions in a single trapped ion, focusing on generalized squeezing. We demonstrate and characterize squeezing, trisqueezing and quadsqueezing; reconstruct the Wigner functions of the resulting states; and achieve quadsqueezing over 100 times faster than conventional methods. The approach has no fundamental limit on the interaction order and applies to any platform supporting spin-dependent linear interactions.