Учёные впервые наблюдали квантовые скачки звука

Исследователи из Стэнфордского университета впервые напрямую наблюдали квантовые скачки звука в механическом резонаторе. Это событие стало очередной вехой в квантовой физике, история которой насчитывает более века.

Квантовые скачки — внезапные переходы из одного энергетического состояния в другое — являются частью квантовой теории с начала 1900-х годов. Впервые их продемонстрировали на захваченных ионах в 1986 году, а затем на фотонах — фундаментальных частицах света — в 2007 году. Звук же оставался более сложной целью. Команда под руководством стэнфордского физика Амира Сафави-Наини теперь напрямую зафиксировала эти скачки; результаты опубликованы в журнале Science.

«Это исследование позволит нам двигаться вперёд в разработке новых квантовых технологий со звуком, — сказал Сафави-Наини, доцент прикладной физики в Стэнфордской школе гуманитарных и естественных наук. — Мы увидели, что вибрирующие объекты могут проявлять квантовое поведение, а это необходимое условие для многих операций, нужных квантовым вычислениям и сенсорике».

Наименьшая дискретная единица света — фотон. Квантовый эквивалент для звука — фонон, представляющий собой согласованное движение множества атомов.

В повседневной жизни вибрация, кажется, затухает плавно. Звенящий колокольчик, например, постепенно стихает, пока звук не исчезнет. На квантовом уровне картина совершенно иная: энергия колебаний резонатора меняется дискретными шагами, а не непрерывно — так же, как это ранее наблюдалось у ионов и фотонов.

Более ранние эксперименты уже давали свидетельства того, что звук может претерпевать такие переходы. Новое исследование идёт дальше: оно напрямую отслеживает отдельные фононы в момент совершения ими квантовых скачков в реальном времени.

Механический резонатор, использованный в эксперименте, был изготовлен с помощью технологий чипового производства. Его крошечные размеры означают, что множество таких резонаторов потенциально можно разместить на одном чипе для выполнения сложных задач.

Критически важной характеристикой стало то, как долго устройство могло продолжать вибрировать. Действуя подобно микроскопическому камертону, резонатор способен колебаться две миллисекунды. Если бы обычный камертон обладал такой же относительной способностью поддерживать колебания, он звенел бы несколько часов.

Это необычно долгое «время затухания» дало исследователям достаточно времени для сбора сотен измерений. Повторные замеры позволили определить момент, когда вибрация исчезала, а звук совершал скачок из энергетического состояния 1 в состояние 0.

Эксперимент также потребовал от исследователей решить давнюю проблему квантовой инженерии: измерить происходящее внутри квантовой системы, не нарушив хрупкое состояние, которое измеряется.

Такума Макихара и Эрик Шакил, соавторы исследования, разработали метод связи микроскопического механического резонатора со сверхпроводящим кубитом. Кубит — это электрическая схема, способная хранить квантовую информацию; в данной установке он также служил детектором.

«Нам приходилось постоянно разрабатывать новые процессы, чтобы создать этот чрезвычайно долгоживущий вибрирующий объект, а затем интегрировать 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 его двух миллисекунд вибрации, определяя, находится ли фонон в энергетическом состоянии 1 или 0. Выполняя эти измерения снова и снова, исследователи могут точно определить момент квантового скачка.

Исследователи рассматривают работу как ранний, но важный шаг к технологиям, использующим звук в качестве квантовой платформы.

Одно из потенциальных применений — квантовая коррекция ошибок. Квантовые компьютеры в перспективе смогут решать определённые сложные задачи, недоступные обычным компьютерам, но их квантовые состояния крайне хрупки. Ошибки могут возникнуть до завершения вычислений.

Во многих квантовых вычислительных системах квантовый скачок может сигнализировать о возникновении ошибки. Обнаруживать такие скачки было сложно, 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 Калтехе, чтобы выяснить, можно ли использовать систему для обнаружения и идентификации белков внутри клеток.

Прорыв может в конечном итоге найти применение за пределами специализированных квантовых технологий. Звук играет важную роль в смартфонах и многих других электронных устройствах, и всё более точный контроль над вибрациями может способствовать появлению новых поколений таких технологий, считает Шакил, нынешний докторант лаборатории Сафави-Наини.

«Это показывает, что мы можем иметь невероятно тонкий контроль над звуком, а значит, устройства, использующие звук как фундаментальную технологию, могут стать намного лучше», — сказал он.

Сафави-Наини также является членом Stanford Q-FARM и Bio-X.

Среди дополнительных соавторов из Стэнфорда — Дэвид Шустер, профессор прикладной физики в H&S; Шеннон Харви, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC; Михир Пендхаркар, научный сотрудник по физике в лаборатории имени Эдварда Л. Гинзтона; бывшая докторант прикладной физики Рэйчел Грюнке-Фройденштайн; а также Оливер Хичкок, Мэтью Максимович и Каве Пешешки, докторанты прикладной физики.

Исследование получило поддержку от Amazon Web Services Inc., Управления научных исследований ВВС, Управления военно-морских исследований, Национального научного фонда, Совета естественных наук и инженерных исследований Канады и Министерства обороны США.

Сафави-Наини и Шустер являются стипендиатами Amazon.

Источники:

Материалы предоставлены Стэнфордским университетом.

Takuma Makihara, Erik Szakiel, Matthew P. Maksymowych, Oliver A. Hitchcock, Kaveh Pezeshki, Rachel G. Gruenke-Freudenstein, Mihir Pendharkar, Shannon P. Harvey, David I. Schuster, Amir H. Safavi-Naeini. Quantum jumps of sound. Science, 2026; 393 (6817): 1217 DOI: 10.1126/science.aeh7535