Исследователи Стэнфордского университета впервые смогли непосредственно наблюдать в реальном времени квантовый переход в системе механических колебаний. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Science. Ученые изучали фононы – кванты механических колебаний, которые на квантовом уровне изменяют энергию не непрерывно, а отдельными порциями. В ходе работы физики зафиксировали момент, когда система перешла с одного энергетического уровня на другой. Ранее подобные скачки наблюдали у других квантовых объектов: захваченных ионов – еще в 1986 году, фотонов – в 2007-м. Для фононов существовали лишь косвенные свидетельства таких переходов.
Для эксперимента команда изготовила микроскопический механический резонатор, напоминающий по принципу работы небольшой камертон. Устройство создали с использованием технологий, применяемых при производстве электронных чипов. Важным параметром стало продолжительное время затухания колебаний – около 2 мс. За этот интервал ученые могли провести сотни измерений и определить момент перехода энергии фонона с первого уровня на нулевой. Для регистрации состояния резонатор связали со сверхпроводящим кубитом. Он выполнял функцию датчика и позволял многократно проверять систему, не разрушая ее состояние после каждого измерения. Такой подход дал возможность не просто зафиксировать наличие переходов, а проследить их непосредственно во времени.
Исследователи рассматривают эксперимент прежде всего как фундаментальную работу, однако полученный метод может иметь несколько направлений применения. Одно из них связано с квантовыми компьютерами, где нестабильность состояний приводит к ошибкам: для коррекции необходимо определить момент возникновения нежелательного перехода. Наблюдение фононов в реальном времени создает основу для подобных систем, хотя готового механизма коррекции ошибок работа пока не предлагает. Другой вариант – сверхчувствительные сенсоры. Команда Стэнфорда совместно с учеными Калифорнийского технологического института изучает возможность использовать связку резонатора и кубита для обнаружения белков внутри клеток. Кроме того, технология потенциально может найти применение в электронике, где механические колебания уже используются в смартфонах и других устройствах.
Похожие статьи
