Oxford-fysikere låser opp to nye former for kvantekontroll med et enkelt fanget ion

Universitetet i Oxfords forskningsgruppe for fangede ioner har lenge vært i frontlinjen for kvantekontroll, men to gjennombrudd rapportert våren og tidlig på sommeren 2026 skiller seg ut. Med bare noen ukers mellomrom publiserte teamet resultater i Nature Physics og Physical Review X som utvider hva et enkelt, fanget ion kan gjøre – fra å generere en tidligere utilgjengelig fjerdeordens kvanteeffekt til å bygge helt nye typer superposisjonstilstander. Selv om begge eksperimentene dreier seg om den samme plattformen, løser de ulike problemer og åpner ulike teknologiske dører.

Quadsqueezing: Å bringe et fjerdeordens spøkelse frem i lyset

Standard kvantesqueezing er en andreordens teknikk som omformer usikkerhet for å forbedre målepresisjon – tenk på det som å komprimere støy i én retning på bekostning av å utvide den i en annen. I flere tiår har squeezing forbedret gravitasjonsbølgedetektorer og atomklokker. Å gå forbi dette, til fjerdeordens squeezing, var teoretisk enkelt, men eksperimentelt utilgjengelig fordi støy som kunne ignoreres ved lavere ordener ble overveldende .

I mai 2026 endret et Oxford-ledet team, som inkluderte Dr. Oana Băzăvan, professor David Lucas og Dr. David Nadlinger, dette ved å påføre en sekvens av kontrollerte krefter på et enkelt kalsiumion svevende i en elektrisk feltfelle. Ved å kombinere disse kreftene i en bestemt rekkefølge, genererte de quadsqueezing – en fjerdeordens kvantekorrelasjon som manifesterer seg som sammenfiltring mellom fire distinkte bevegelsestilstander – med enestående hastighet. Metoden produserte disse effektene 100 ganger raskere enn konvensjonelle tilnærminger og gjorde dem synlige for første gang .

Den viktigste metodiske innsikten var enkelhet: i stedet for å legge på eksotisk maskinvare, brukte teamet eksisterende verktøy for fangede ioner i en sekvens som isolerte det fjerdeordens signalet fra støyen som tidligere hadde begravd det . Resultatet, publisert i Nature Physics, markerer den første eksperimentelle observasjonen av fjerdeordens kvantesammenfiltringseffekter .

Hvorfor dette er viktig. Quadsqueezing gir en mer følsom kontrollknapp for kvantemetrologi fordi høyere ordens korrelasjoner kan slå standard kvantegrense med bredere marginer. Det åpner også en vei mot å konstruere komplekse kvantetilstander som fungerer som byggesteiner for feiltolerante kvantedatamaskiner og neste generasjons sensorer .

Schrödingers katter bygget fra det merkelige, ikke det enkle

Det andre gjennombruddet ble publisert i juni 2026 i Physical Review X. Kvantesuperposisjonstilstander – ofte kalt Schrödingers katt-tilstander – settes typisk sammen av vanlige koherente bølgepakker, den nærmeste kvanteanalogien til en klassisk bane. Oxford-teamet stilte imidlertid et annet spørsmål: hva om hver del av superposisjonen i seg selv var iboende ikke-klassisk?

Ved å bruke bevegelsen til et enkelt fanget ion bygde forskerne superposisjoner der de to overlappende komponentene var squeezed states – kvantekonfigurasjoner der usikkerhet allerede er omfordelt på en kontraintuitiv måte. Ved å programmere ionets tilstand med høy presisjon skulpterte de komplekse, asymmetriske superposisjoner som ikke hadde vært oppnåelige før .

Metoden gir fysikere programmerbar kontroll over formen og egenskapene til kattetilstanden. I konvensjonelle katt-tilstander ser kvanteusikkerheten identisk ut i begge grener; her er den forskjellig, noe som skaper en rikere interferensstruktur som kan utnyttes til feilkorreksjon og fundamentale tester av kvantemekanikken .

Hvorfor dette er viktig. Kvantefeilkorreksjon er avhengig av å kode informasjon på tvers av tilstander som er robuste mot støy. Å generere superposisjoner fra ikke-klassiske komponenter, som squeezed states, kan produsere logiske kvantebiter som er iboende mer motstandsdyktige. Arbeidet skjerper også testarenaen for grunnleggende spørsmål om dekoherens og overgangen fra kvante til klassisk fysikk .

Hvorfor et enkelt fanget ion?

Begge gjennombruddene deler en felles scene: et enkelt fanget ion – sannsynligvis en kalsium- eller strontiumisotop – holdt nesten urørlig av radiofrekvente elektriske felt. Et fanget ion kombinerer to ulike kvantesystemer: en godt isolert intern elektronisk tilstand som fungerer som en kvantebit, og bevegelsesmoduser som kan laserkjøles til kvantegrunntilstanden. Denne doble naturen gjør ioner til en ideell plattform for å generere og analysere komplekse kvantetilstander .

Avgjørende er det at Oxford Ion Trap Group har foredlet denne plattformen i årevis. I juni 2025 satte den samme gruppen verdensrekord i portpresisjon for enkel kvantebiter, med en feilrate på bare 0,000015 %, eller én feil per 6,7 millioner operasjoner . Denne ekstreme kontrollen over individuelle kvantebiter er fundamentet som gjorde quadsqueezing- og katt-tilstand-resultatene i 2026 mulige.

---

Verken quadsqueezing eller programmerbare kattetilstander vil dukke opp i en kommersiell kvantedatamaskin i morgen. Men sammen fyller de to ulike hull i kvanteverktøykassen: den ene gir en raskere, renere vei til høyere ordens sammenfiltring for sensing og metrologi, mens den andre leverer en ny måte å forme informasjon for feilkorreksjon. Begge viser at et enkelt, velkontrollert ion forblir en av de mest allsidige plattformene for å utforske – og utnytte – kvantefysikkens dypeste regler.