Физики Стэнфордского университета впервые напрямую наблюдали квантовые скачки звука в реальном времени. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Science. Исследователи создали микроскопический механический резонатор, который позволил увидеть момент, когда система резко перешла с одного энергетического уровня на другой. Ученые работали с фононами – квантами механических колебаний. В обычном мире звук затихает постепенно, но на квантовом уровне энергия меняется отдельными порциями.
Квантовые скачки предсказали еще в начале XX века. В 1986 году их впервые наблюдали у захваченных ионов, а в 2007 году – у фотонов. Для фононов предыдущие эксперименты давали косвенные свидетельства, но отдельные переходы в реальном времени до сих пор не фиксировали.
Для эксперимента команда разработала резонатор, изготовленный с использованием технологий чипов, что позволило достичь долгого времени затухания колебаний – около 2 мс. За этот отрезок времени ученые успевали провести сотни измерений и определить, когда энергия фонона переходила с уровня 1 на 0. Резонатор соединяли со сверхпроводящим кубитом, который служил датчиком и многократно проверял состояние системы без ее разрушения при каждом измерении. Руководитель исследования Амир Сафави-Наэини отметил: «Мы увидели, что вибрирующие объекты способны демонстрировать квантовое поведение. Это необходимое условие для многих операций в квантовых вычислениях и сенсорах».
Один из возможных вариантов применения связан с коррекцией ошибок в квантовых компьютерах: квантовые состояния нестабильны, а переход системы между уровнями в некоторых архитектурах означает ошибку, и чтобы ее исправить, сначала нужно определить момент возникновения. Возможность отслеживать такие изменения в реальном времени создает основу для систем на базе механических резонаторов. Однако нынешний эксперимент – фундаментальная работа, а не готовый метод коррекции ошибок.
Еще одно направление – сверхчувствительные сенсоры. Команда Стэнфорда вместе с учеными Калифорнийского технологического института уже изучает возможность использовать связку резонатора и кубита для обнаружения и идентификации белков внутри клеток. Авторы также допускают применение технологии в электронике: механические колебания используются в смартфонах и других устройствах, а более точное управление ими потенциально позволит создавать новые акустические компоненты.
Похожие статьи
