Ученые впервые наблюдали, как звук совершает квантовый скачок – что это означает

Ученые из Стэнфордского университета впервые непосредственно наблюдали квантовые скачки звука в механическом резонаторе. Об этом пишет Sciencedaily.

Как звук может совершать квантовые скачки?

Исследование возглавил физик Амир Сафави-Наини, доцент кафедры прикладной физики Школы гуманитарных и естественных наук Стэнфордского университета.

Квантовый скачок – это внезапный переход системы из одного энергетического состояния в другое. Это явление стало одним из фундаментальных понятий квантовой физики еще в начале XX века. Первые экспериментальные наблюдения квантовых скачков в захваченных ионах были проведены в 1986 году. В 2007 году ученые смогли наблюдать аналогичное поведение фотонов – фундаментальных частиц света.

Со звуком ситуация сложнее. В повседневной жизни кажется, что вибрация постепенно ослабевает. Например, после удара звон постепенно затихает, а его энергия как будто непрерывно уменьшается.

На квантовом уровне картина иная. Энергия механической системы может изменяться отдельными дискретными порциями. Наименьшей квантовой единицей звуковой волны является фонон – квант коллективного движения большого количества атомов.

Именно отдельные фононы исследователи смогли отследить в ходе эксперимента.

Это исследование показывает, что оно позволит нам двигаться дальше в создании новых квантовых технологий, связанных со звуком. "Мы увидели, что вибрирующие объекты могут демонстрировать квантовое поведение, а это необходимое условие для многих операций, требуемых в квантовых вычислениях и сенсорах", – сказал Амир Сафави-Наини.

Как ученым удалось увидеть отдельный фонон?

Для эксперимента исследователи создали крошечный механический резонатор с помощью технологий производства микросхем. Его небольшой размер в будущем может позволить размещать много таких устройств на одном чипе.

Однако главной особенностью резонатора стала не только его миниатюрность. Устройство способно очень долго сохранять вибрацию. По принципу работы оно напоминает крошечный камертон. Резонатор может продолжать вибрировать примерно 2 миллисекунды. Для такого микроскопического устройства это чрезвычайно длительное время.

Исследователи приводят наглядную аналогию: если бы обычный камертон обладал такой же способностью сохранять вибрацию относительно своего размера, он продолжал бы звучать в течение нескольких часов.

Именно длительное время затухания, или ringdown time, дало команде возможность многократно измерять состояние резонатора. Ученые смогли собрать сотни измерений и установить момент, когда колебание исчезало, а система переходила из энергетического состояния 1 в состояние 0. То есть исследователи не просто получили косвенные доказательства квантового поведения звука. Они смогли отследить отдельные переходы непосредственно в ходе эксперимента.

Почему измерить квантовое состояние было так сложно?

Одной из самых больших проблем стал сам процесс измерения. Квантовые системы чрезвычайно чувствительны к внешнему воздействию, поэтому попытка проверить их состояние может изменить его.

Команде нужно было создать систему, которая позволила бы постоянно контролировать механический резонатор, не разрушив его хрупкое квантовое состояние. Такума Макихара и Эрик Сзакиель, ставшие первыми соавторами исследования, разработали способ соединения механического резонатора со сверхпроводящим кубитом.

Кубит – это электрическая схема, способная хранить квантовую информацию. В этом эксперименте он выполнял еще одну роль – чрезвычайно чувствительного детектора.

"Нам пришлось постоянно разрабатывать новые процессы, чтобы создать этот чрезвычайно долговечный вибрирующий объект, а затем интегрировать его с кубитом, нашим маленьким электрическим детектором, не разрушив ни одну из подсистем", – пояснил Макихара, недавно завершивший докторскую программу в Стэнфорде.

Кубит многократно проверял механический резонатор в течение примерно 2 миллисекунд его вибрации. Он определял, находится ли фонон в состоянии 1 или 0. Повторение таких измерений позволило исследователям определить момент квантового перехода.

Поможет ли это создать более совершенные квантовые компьютеры?

Ученые рассматривают полученный результат как один из первых шагов к использованию звука в качестве полноценной квантовой платформы.

Одним из потенциальных направлений является квантовая коррекция ошибок. Квантовые компьютеры способны выполнять вычисления, которые в определенных задачах могут быть недоступны для традиционных компьютеров. Однако квантовые состояния чрезвычайно хрупки, поэтому ошибки могут возникать еще до завершения расчета.

Во многих квантовых системах квантовый скачок может быть признаком того, что произошла ошибка. Проблема заключается в том, что обнаруживать такие переходы сложно. Возможность постоянно наблюдать за квантовыми скачками в механической системе потенциально дает исследователям новый инструмент для обнаружения и исправления подобных ошибок.

Впрочем, нынешняя работа еще не означает появление нового типа квантового компьютера. Исследование демонстрирует возможность контролировать и измерять квантовое поведение механической системы, а практическое использование этого свойства потребует дальнейших экспериментов.

Еще одно направление связано со сверхточными измерениями. Сочетание механического резонатора с кубитом может превратиться в очень чувствительную платформу для обнаружения малейших изменений в системе. Группа Сафави-Наини уже сотрудничает с командой физика Майкла Рукса из Калифорнийского технологического института, чтобы проверить, можно ли использовать эту систему для обнаружения и идентификации белков внутри клеток.

Если такой подход сработает, технология может найти применение в биологических исследованиях и сенсорике. Однако пока это направление дальнейших исследований, а не готовая медицинская или диагностическая технология.

Более точное управление звуком может понадобиться не только в квантовой физике

Потенциальное влияние открытия не ограничивается лабораторными квантовыми системами. Звук и механические колебания уже используются в смартфонах и других электронных устройствах.

По словам Эрика Сзакиеля, полученные результаты демонстрируют возможность чрезвычайно точного контроля над звуком. В перспективе это может помочь создавать новые устройства, для которых акустические или механические колебания являются фундаментальной частью работы.

"Это показывает, что мы можем добиться невероятно точного контроля над звуком. Это может означать, что устройства, использующие звук в качестве фундаментальной технологии, смогут стать значительно лучше", – сказал Сзакиель.

В исследовании также принимали участие Дэвид Шустер, профессор прикладной физики Стэнфордского университета, Шеннон Харви из Национальной ускорительной лаборатории SLAC, Михир Пендхаркар из лаборатории Эдварда Л. Гинцтона, бывшая докторантка Рэйчел Грюенке-Фройденштайн, а также докторанты Оливер Хичкок, Мэтью Максимович и Каве Пежешки.

Амир Сафави-Наини также является участником научных программ Stanford Q-FARM и Bio-X. Результаты исследования опубликованы в журнале Science. Работа демонстрирует, что механические колебания могут не просто обладать квантовыми свойствами, но и позволять исследователям непосредственно наблюдать за отдельными квантовыми переходами. Это создает основу для дальнейших экспериментов с квантовыми вычислениями, сенсорами и технологиями, использующими звук.