Физики впервые в реальном времени увидели квантовый скачок звука
Физики впервые непосредственно наблюдали в реальном времени квантовый скачок механических колебаний — внезапный переход наномеханического резонатора из состояния с одним фононом в состояние без него. Эксперимент показал, что энергия вибрирующего объекта на квантовом уровне исчезает не обязательно плавно, как кажется в повседневном мире, а может изменяться отдельными порциями.
Работу провела группа Стэнфордского университета под руководством физика Амира Сафави-Наини. Учёные создали миниатюрный механический резонатор, который можно представить как микроскопический аналог камертона. Когда такой объект вибрирует, его механическая энергия на квантовом уровне описывается фононами — отдельными квантами коллективного движения атомов.
Квантовая механика предсказывает, что энергия вибрирующего объекта может принимать дискретные значения. Однако обычное измерение положения резонатора не позволяет непосредственно увидеть эту дискретность. Чтобы различать отдельные энергетические уровни, исследователям потребовалось измерять не просто смещение объекта, а количество находящихся в нём фононов.
Для этого наномеханический резонатор соединили со сверхпроводящим кубитом — электрической квантовой системой, которая в эксперименте использовалась как высокочувствительный детектор. Кубит позволял многократно проверять состояние резонатора, не разрушая сразу наблюдаемое квантовое состояние.
Одной из главных технических проблем было сохранить механические колебания достаточно долго, чтобы успеть провести серию измерений. Созданный исследователями резонатор имел время жизни механического состояния около 2,1 миллисекунды. За этот короткий промежуток система могла выполнить сотни измерений и определить момент изменения числа фононов.
Исследователи подготавливали состояния с одним фононом с точностью около 85%, после чего многократно измеряли состояние резонатора. В результате они непосредственно наблюдали переходы между первым возбуждённым состоянием и основным состоянием — то есть изменение числа фононов с одного до нуля.
На привычном масштабе подобный процесс выглядит иначе. Если ударить по камертону или колоколу, звук постепенно становится тише, поэтому кажется, что механическая энергия уменьшается непрерывно. На квантовом уровне энергия микроскопического резонатора может изменяться отдельными порциями. В эксперименте учёные смогли определить момент, когда система совершала такой переход между двумя энергетическими состояниями.
Квантовые скачки сами по себе не являются новым явлением. Их существование следует из квантовой механики, а отдельные скачки ранее удалось зарегистрировать в других физических системах. В 1986 году такие переходы наблюдали у захваченных ионов, а в 2007 году — у фотонов. Новым результатом стало непосредственное наблюдение отдельных квантовых скачков механического движения в реальном времени.
Эксперимент также показывает, что квантовое поведение можно наблюдать не только у отдельных частиц света или атомных систем. Фонон представляет собой согласованное движение большого количества атомов внутри механического объекта. Поэтому зафиксированные скачки демонстрируют дискретное квантовое поведение более крупной вибрирующей системы.
Возможность отслеживать отдельные фононы может пригодиться при разработке квантовых компьютеров. Квантовые состояния чрезвычайно чувствительны к взаимодействию с окружающей средой, а потеря одного кванта энергии в некоторых архитектурах может соответствовать ошибке. Если подобное событие можно обнаружить в момент его возникновения, это открывает возможность для разработки методов обнаружения и исправления ошибок.
Другим возможным направлением являются квантовые датчики. Небольшой размер механического резонатора и высокая чувствительность системы позволяют регистрировать чрезвычайно слабые воздействия. Команда Сафави-Наини совместно с исследователями Калифорнийского технологического института уже изучает возможность использования подобных устройств для обнаружения и идентификации белков внутри клеток.
Однако эти применения пока остаются следующими этапами исследований. В опубликованной работе учёные продемонстрировали наблюдение квантовых переходов механического резонатора, а не готовую систему коррекции ошибок или биологический сенсор.
Главным результатом эксперимента стало непосредственное наблюдение того, как механическая система переходит между двумя дискретными энергетическими состояниями. Возможность многократно измерять число фононов в течение примерно двух миллисекунд позволила физикам увидеть отдельный квантовый скачок там, где на обычном масштабе затухание вибрации воспринимается как непрерывный процесс.
Исследование в журнале Science.