Исследователи Стэнфордского университета впервые напрямую зафиксировали квантовые скачки звука в механическом резонаторе. Работа стала новым этапом в изучении явления, которое известно квантовой физике с начала XX века. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Science, о них сообщает ScienceDaily.
Квантовый скачок представляет собой резкий переход системы между энергетическими состояниями. Подобные переходы впервые продемонстрировали на захваченных ионах в 1986 году, а в 2007-м — на фотонах, элементарных частицах света. Теперь команда физика Стэнфорда Амира Сафави-Нейни смогла в реальном времени проследить такие изменения у звука.
Квантовым аналогом звуковой волны считается фонон — согласованное движение большого числа атомов. В обычных условиях вибрация затихающего колокола кажется непрерывной, однако на квантовом уровне энергия резонатора меняется отдельными ступенями. Учёные наблюдали, как фонон переходил из состояния с энергией 1 в состояние 0, причём ранее подобные переходы удавалось лишь косвенно подтверждать.
Для эксперимента изготовили миниатюрный механический резонатор с использованием технологий производства микросхем. Устройство способно вибрировать в течение двух миллисекунд, что для обычного камертона с сопоставимой относительной устойчивостью колебаний означало бы несколько часов звучания. Благодаря длительному затуханию исследователи смогли провести сотни измерений и определить момент квантового перехода.
Резонатор соединили со сверхпроводящим кубитом — электрической схемой, способной хранить квантовую информацию и одновременно выполнять роль детектора. Такума Макихара и Эрик Сзакиэль, ставшие первыми авторами работы, разработали способ интеграции двух систем без разрушения их хрупких квантовых свойств. Кубит многократно проверял состояние резонатора во время вибрации, что позволило точно установить время скачка.
«Это исследование показывает, что вибрирующие объекты могут демонстрировать квантовое поведение, необходимое для многих операций в квантовых вычислениях и измерениях», — сказал Сафави-Нейни. По словам учёных, технология может пригодиться для обнаружения и исправления ошибок в квантовых компьютерах, а также для создания сверхчувствительных сенсоров. Группа Сафави-Нейни вместе с командой физика Майкла Рукса из Калифорнийского технологического института уже изучает возможность обнаружения белков внутри клеток с помощью такой системы.