Физики из Стэнфордского университета впервые напрямую зафиксировали, как микроскопическая колеблющаяся структура теряет одну единицу звуковой энергии — фонон. Это явление получило название квантового скачка звука. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
Фонон представляет собой наименьшую дискретную порцию звука, аналогично тому, как фотон является квантом света. Хотя звон колокола воспринимается как плавное затухание, энергия колебаний резонатора меняется ступенчато. Такие внезапные переходы между энергетическими состояниями и называют квантовыми скачками.
Наблюдение провела группа под руководством стэнфордского физика Амира Сафави-Наини. Для измерения использовался детектор, способный многократно проверять резонатор, не разрушая его хрупкое квантовое состояние. Соавторы работы Такума Макихара и Эрик Шакиель разработали метод подключения резонатора к сверхпроводящему кубиту — электрической схеме, которая хранит квантовую информацию и выполняет роль детектора.
Резонатор мог колебаться в течение двух миллисекунд, что для обычного камертона сопоставимо с несколькими часами звона. Столь длительное время затухания позволило исследователям снять сотни показаний. Кубит различал состояние с одним фононом и состояние без него, что дало возможность определить момент перехода резонатора из состояния, обозначенного как 1, в состояние 0.
Полученный результат продолжает экспериментальную историю длиной более века. Квантовые скачки были теоретически предсказаны в начале 1900-х годов, впервые продемонстрированы на захваченных ионах в 1986 году, а позднее наблюдались для фотонов в 2007 году. Предыдущие эксперименты со звуком давали свидетельства квантовых скачков, но не отслеживали отдельные переходы в реальном времени.
Резонатор изготовлен с применением технологий производства чипов и настолько мал, что множество таких устройств поместится на одной микросхеме. Команда Сафави-Наини уже сотрудничает с группой физика Майкла Рукса из Калифорнийского технологического института, чтобы с помощью этой платформы обнаруживать и идентифицировать белки внутри клеток. По словам Шакиеля, достижение в перспективе может улучшить смартфоны и другие повседневные устройства, использующие звук.