Учёные Стэнфордского университета впервые напрямую зафиксировали квантовые скачки звука в механическом резонаторе. Результаты работы опубликованы в журнале Science, сообщает ScienceDaily. Исследование стало новым этапом в изучении квантовых переходов, которыми физики занимаются более ста лет.
Квантовый скачок представляет собой резкое перемещение системы с одного энергетического уровня на другой. Такие переходы впервые наблюдали в удерживаемых ионах в 1986 году, а в 2007-м — в фотонах, элементарных частицах света. Теперь команда физика Стэнфорда Амира Сафави-Наини смогла проследить аналогичный процесс для звука.
Квантовой единицей звука считается фонон — согласованное движение множества атомов. В обычных условиях вибрация затихающего колокольчика кажется непрерывной, однако на квантовом уровне энергия резонатора меняется отдельными ступенями. Новая установка позволила наблюдать отдельные фононы и в реальном времени определить момент их перехода между состояниями.
Механический резонатор изготовили с использованием технологий производства микросхем. Несмотря на малые размеры, устройство способно вибрировать в течение двух миллисекунд. Для обычного камертона с сопоставительной способностью сохранять колебания это соответствовало бы звучанию на протяжении нескольких часов.
Длительное затухание дало исследователям возможность провести сотни измерений и зафиксировать переход вибрации из энергетического состояния 1 в состояние 0. Для наблюдений резонатор соединили со сверхпроводящим кубитом — электрической схемой, которая хранит квантовую информацию и одновременно выполняет роль детектора. Кубит многократно проверял состояние устройства во время его колебаний, не разрушая хрупкую квантовую систему.
По словам Сафави-Наини, продемонстрированное поведение вибрирующих объектов создаёт основу для операций, необходимых в квантовых вычислениях и сенсорах. Контроль квантовых скачков может пригодиться для обнаружения и исправления ошибок в квантовых компьютерах. Кроме того, объединение резонатора с кубитом рассматривают как чувствительную измерительную платформу: группа Сафави-Наини вместе с командой физика Майкла Рукса из Калифорнийского технологического института изучает возможность обнаружения и идентификации белков внутри клеток.