Впервые удалось зафиксировать квантовый скачок звука

Физики из США впервые напрямую зафиксировали квантовые скачки звука в механическом резонаторе. Результаты работы опубликованы в журнале Science. Эксперимент показал, что вибрация крошечного объекта может менять энергию не плавно, а отдельными скачками, как это происходит с другими квантовыми системами.

Квантовый скачок — внезапный переход объекта из одного энергетического состояния в другое. Такие переходы теоретически описывали еще в начале XX века. В 1986 году их впервые наблюдали у захваченных ионов, а в 2007-м — у фотонов, элементарных частиц света. Теперь ученым удалось увидеть аналогичное поведение у звука.

Звук тоже ведет себя квантово

В обычной жизни колебания постепенно затихают. Например, после удара по колоколу его звук становится все тише. На квантовом уровне картина другая. Энергия вибрирующего объекта может изменяться отдельными порциями.

Такой минимальной порцией звукового колебания является фонон. В отличие от фотона, который представляет собой квант света, фонон описывает согласованное движение большого числа атомов.

Исследователи наблюдали, как механический резонатор переходит из состояния с одним фононом в состояние без него. Причем сам момент такого перехода удалось зарегистрировать в реальном времени.

«Это исследование показывает, что вибрирующие объекты могут демонстрировать квантовое поведение, что является необходимым условием для многих операций, нужных в квантовых вычислениях и измерениях», — сказал физик Амир Сафави-Нейни.

Крошечный резонатор звенит две миллисекунды

Механический резонатор изготовили с помощью технологий, которые применяют при производстве микросхем. Его размеры настолько малы, что множество таких устройств можно разместить на одном чипе.

Главным условием эксперимента стало необычно долгое время затухания. Резонатор работает примерно как микроскопический камертон и продолжает вибрировать около двух миллисекунд. Для обычного камертона с такими же характеристиками это соответствовало бы нескольким часам звучания.

За это время ученые успевали сотни раз проверить состояние системы и определить момент, когда фонон исчезал.

Квантовый детектор не должен мешать системе

Одна из главных сложностей заключалась в том, чтобы измерить состояние резонатора и одновременно не разрушить его хрупкое квантовое состояние.

Для этого исследователи соединили механический резонатор со сверхпроводящим кубитом. Это электрическая квантовая система, способная хранить информацию и выполнять роль детектора.

Кубит многократно проверял резонатор во время его двухмиллисекундной вибрации. Он определял, находится ли система на энергетическом уровне 1, соответствующем одному фонону, или на уровне 0. Так исследователи смогли зафиксировать отдельный квантовый скачок.

«Нам пришлось постоянно разрабатывать новые методы, чтобы создать этот чрезвычайно долгоживущий вибрирующий объект, а затем соединить его с кубитом — нашим небольшим электрическим детектором, — не повредив ни одну из подсистем», — рассказал один из авторов исследования.

Зачем наблюдать такие скачки

Авторы считают, что технология может пригодиться в квантовых вычислениях. В некоторых квантовых системах скачок состояния означает возникновение ошибки. Если научиться точно определять момент такого перехода, это может помочь создавать более эффективные методы коррекции ошибок.

Устройство также может стать чувствительным инструментом для измерений. Исследователи уже изучают возможность использовать такую систему для обнаружения и идентификации белков внутри клеток.

В перспективе подобный контроль над звуком может найти применение и в обычной электронике.

«Это показывает, что мы можем чрезвычайно точно управлять звуком, а значит, устройства, использующие звук как основную технологию, могут стать значительно лучше», — отметил один из исследователей.