Физики из Стэнфордского университета впервые напрямую наблюдали, как звук совершает квантовые скачки — мгновенно переходит из одного энергетического состояния в другое. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
Идея квантовых скачков существует уже больше века. В 1986 году их впервые продемонстрировали на захваченных ионах, а в 2007-м — на фотонах, частицах света. Со звуком задача оказалась значительно сложнее.
Теперь группа физика Амира Сафави-Наэини смогла проследить такие переходы непосредственно и в реальном времени.
В обычной жизни звук кажется непрерывным. Если ударить в колокол, он постепенно становится тише, пока полностью не затихает. Но на квантовом уровне энергия вибрации ведёт себя иначе: она изменяется не плавно, а отдельными ступенями.
Минимальной порцией света считается фотон, а для звука его квантовым аналогом является фонон — согласованное движение множества атомов.
Ранее эксперименты уже указывали на то, что звук способен совершать квантовые переходы. Однако теперь исследователям впервые удалось следить за отдельными фононами и непосредственно видеть момент такого скачка.
Для этого учёные создали крошечный механический резонатор с помощью технологий производства микросхем. Его размеры настолько малы, что потенциально множество подобных устройств можно разместить на одном чипе.
Главной особенностью резонатора оказалось необычно долгое время затухания колебаний. Он способен вибрировать около двух миллисекунд. Если бы обычный камертон столь же хорошо сохранял свои колебания относительно собственного размера, его звон продолжался бы несколько часов.
Эти две миллисекунды дали физикам достаточно времени, чтобы провести сотни измерений и определить точный момент, когда колебание исчезает, а система переходит из энергетического состояния 1 в состояние 0.
Но здесь возникала ещё одна сложность: любое измерение квантовой системы может нарушить её хрупкое состояние.
Чтобы решить эту проблему, исследователи соединили механический резонатор со сверхпроводящим кубитом — электрической схемой, способной хранить квантовую информацию. В эксперименте кубит одновременно выполнял роль своеобразного детектора.
Во время двух миллисекунд вибрации он многократно проверял состояние резонатора и определял, находится ли фонон на энергетическом уровне 1 или 0. Благодаря серии таких измерений учёные смогли точно увидеть момент квантового перехода.
Исследователи считают эксперимент первым важным шагом к технологиям, в которых звук будет использоваться как полноценная квантовая система.
Одно из возможных применений связано с исправлением ошибок в квантовых компьютерах. Их квантовые состояния чрезвычайно чувствительны, поэтому ошибки могут возникать ещё до завершения вычислений. В некоторых системах квантовый скачок как раз может быть признаком такой ошибки.
Если научиться надёжно отслеживать подобные переходы в механических колебаниях, это может помочь обнаруживать и исправлять ошибки.
Комбинация резонатора и кубита также может превратиться в чрезвычайно чувствительный измерительный инструмент. Группа Сафави-Наэини уже сотрудничает с командой физика Майкла Роукса из Калифорнийского технологического института, чтобы выяснить, можно ли таким способом обнаруживать и различать белки внутри клеток.
Исследователи считают, что работа может оказаться полезной и за пределами квантовых технологий. Звук и механические колебания широко используются в смартфонах и другой электронике, поэтому возможность управлять ими с настолько высокой точностью потенциально может привести к созданию более совершенных устройств.
