Учёные из Стэнфордского университета впервые напрямую зафиксировали квантовые скачки звука в механическом резонаторе. Это достижение продолжает более чем вековую историю исследований в области квантовой физики. Работа опубликована в журнале Science.
Квантовые скачки представляют собой мгновенные переходы между энергетическими состояниями и известны в теории с начала XX века. В 1986 году их впервые показали на захваченных ионах, а в 2007 году — на фотонах, элементарных частицах света. Звук долгое время оставался более сложной задачей. Группа под руководством физика Стэнфордского университета Амира Сафави-Наини смогла напрямую зарегистрировать такие переходы. «То, что показывает это исследование, позволит нам двигаться вперёд в разработке новых квантовых технологий со звуком, — заявил Сафави-Наини, доцент прикладной физики в Стэнфордской школе гуманитарных и естественных наук. — Мы увидели, что вибрирующие объекты могут демонстрировать квантовое поведение, а это необходимое условие для многих операций, нужных квантовым вычислениям и сенсорам».
Минимальная дискретная единица света — фотон. Квантовый аналог для звука — фонон, представляющий согласованное движение множества атомов. В повседневной жизни колебания затухают плавно: звонящий колокол постепенно стихает, пока звук не исчезнет. На квантовом уровне картина иная — энергия колебаний резонатора меняется ступенчато, а не непрерывно, как это ранее наблюдали у ионов и фотонов. Предыдущие эксперименты давали свидетельства того, что звук может претерпевать такие переходы. Новое исследование пошло дальше: учёные напрямую отслеживали отдельные фононы в момент квантовых скачков в реальном времени.
Механический резонатор для эксперимента изготовили с помощью технологий чипового производства. Его крошечные размеры позволяют разместить множество таких устройств на одном чипе для выполнения сложных задач. Ключевой особенностью стала длительность колебаний: действуя подобно микроскопическому камертону, резонатор вибрирует две миллисекунды. Если бы обычный камертон обладал такой же относительной способностью поддерживать колебания, он звенел бы несколько часов. Столь долгое время затухания дало исследователям возможность собрать сотни измерений. Повторные замеры позволили определить момент, когда вибрация исчезала и звук совершал скачок из энергетического состояния 1 в 0.
Эксперимент также потребовал решить давнюю проблему квантовой инженерии: измерять происходящее внутри квантовой системы, не разрушая хрупкое состояние. Соавторы исследования Такума Макихара и Эрик Шакил разработали метод связи микроскопического механического резонатора со сверхпроводящим кубитом. Кубит — это электрическая схема, способная хранить квантовую информацию, а в данной установке он также служил детектором. «Нам приходилось постоянно разрабатывать новые процессы, чтобы создать этот чрезвычайно долгоживущий вибрирующий объект, а затем объединить его с кубитом, нашим маленьким электрическим детектором, не испортив ни одну из подсистем», — сказал Макихара, недавний выпускник докторантуры Стэнфорда. Кубит многократно проверяет механический резонатор в течение двух миллисекунд вибрации, определяя, находится ли фонон в энергетическом состоянии 1 или 0. Повторяя измерения, исследователи могут точно установить момент квантового скачка.
Учёные рассматривают работу как ранний, но важный шаг к технологиям, использующим звук в качестве квантовой платформы. Одно из возможных применений — квантовая коррекция ошибок. Квантовые компьютеры в перспективе смогут решать сложные задачи, недоступные обычным машинам, но их квантовые состояния крайне хрупки, и ошибки могут возникнуть до завершения вычислений. Во многих квантовых системах квантовый скачок может сигнализировать о появлении ошибки. Обнаруживать такие скачки было трудно, поэтому возможность отслеживать их в звуке может дать важный новый инструмент для выявления и исправления квантовых ошибок. Сочетание механического резонатора и кубита также может стать высокочувствительной измерительной платформой. Группа Сафави-Наини уже работает с командой физика Майкла Рукса в Калифорнийском технологическом институте, чтобы выяснить, можно ли использовать систему для обнаружения и идентификации белков внутри клеток.
В перспективе достижение может найти применение и за пределами специализированных квантовых технологий. Звук играет важную роль в смартфонах и многих других электронных устройствах, и всё более точный контроль над колебаниями способен привести к созданию новых поколений такой техники, считает Шакил, нынешний докторант лаборатории Сафави-Наини. «Это показывает, что мы можем иметь невероятно тонкий контроль над звуком, а значит, устройства, использующие звук как основную технологию, могут стать намного лучше», — сказал он.