Стенфордські фізики вперше спостерігали квантові стрибки звуку

Дослідження опубліковано в журналі Science, а очолив його Амір Сафаві-Наїні, доцент прикладної фізики Школи гуманітарних і природничих наук Стенфордського університету.

Квантовий стрибок — це раптовий перехід системи з одного енергетичного стану в інший, одне з фундаментальних понять квантової фізики. У захоплених іонах такі переходи вперше спостерігали ще 1986 року, а 2007-го — у фотонів. Зі звуком усе складніше: у побуті здається, що вібрація затухає поступово, як дзвін після удару. На квантовому рівні енергія механічної системи змінюється окремими порціями, а найменша одиниця звукової хвилі — це фонон, квант колективного руху атомів. Саме окремі фонони і вдалося відстежити.

Для експерименту створили мініатюрний механічний резонатор за технологіями виробництва мікросхем — за принципом роботи він нагадує крихітний камертон. Його головна особливість — здатність дуже довго зберігати вібрацію: близько 2 мілісекунд, що для такого пристрою надзвичайно тривалий час. Дослідники наводять аналогію: якби звичайний камертон мав таку саму здатність відносно свого розміру, він звучав би годинами. Саме тривалий час загасання дозволив зібрати сотні вимірювань і зафіксувати момент, коли вібрація зникала, а система переходила зі стану 1 у стан 0.

Найбільшою проблемою був сам процес вимірювання, адже квантові системи надзвичайно чутливі до зовнішнього впливу. Перші співавтори дослідження Такума Макіхара та Ерік Сзакіель розробили спосіб з'єднати резонатор із надпровідним кубітом — електричною схемою, здатною зберігати квантову інформацію і водночас бути чутливим детектором. «Нам довелося постійно розробляти нові процеси, щоб створити цей надзвичайно довговічний вібруючий об'єкт, а потім інтегрувати його з кубітом, нашим маленьким електричним детектором, не зруйнувавши жодну з підсистем», — пояснив Макіхара, який нещодавно завершив докторську програму у Стенфорді.

Кубіт багаторазово перевіряв стан резонатора протягом приблизно 2 мілісекунд вібрації, визначаючи, чи перебуває фонон у стані 1 або 0. Повторення вимірювань і дозволило визначити момент квантового переходу.

Вчені розглядають результат як один із перших кроків до використання звуку як повноцінної квантової платформи. Один із напрямів — квантова корекція помилок: у багатьох квантових системах стрибок може свідчити про помилку, а постійне спостереження за механічною системою дає новий інструмент для їх виявлення. Втім, це ще не означає появи нового типу квантового комп'ютера — практичне застосування потребує подальших експериментів. Ще один напрям — надточні вимірювання: група Сафаві-Наїні вже співпрацює з командою фізика Майкла Рукса з Каліфорнійського технологічного інституту, щоб перевірити, чи можна виявляти та ідентифікувати білки всередині клітин. Наразі це напрям досліджень, а не готова медична технологія.

За словами Еріка Сзакіеля, результати демонструють можливість надзвичайно точного контролю над звуком. «Це показує, що ми можемо отримати неймовірно точний контроль над звуком. Це може означати, що пристрої, які використовують звук як фундаментальну технологію, зможуть стати значно кращими», — сказав він.

У дослідженні також брали участь Девід Шустер, професор прикладної фізики Стенфордського університету, Шеннон Гарві з Національної прискорювальної лабораторії SLAC, Міхір Пендхаркар з лабораторії Едварда Л. Гінцтона, колишня докторантка Рейчел Грюенке-Фройденштайн, а також докторанти Олівер Гічкок, Метью Максимович і Каве Пежешкі. Амір Сафаві-Наїні також є учасником наукових програм Stanford Q-FARM та Bio-X.

Підсумок: робота показує, що механічні коливання можуть не лише мати квантові властивості, а й дозволяти безпосередньо спостерігати окремі квантові переходи. Це створює основу для подальших експериментів із квантовими обчисленнями, сенсорами та технологіями, що використовують звук.