4307
Дослідники зі Стенфордського університету вперше безпосередньо спостерігали у реальному часі квантові стрибки звуку — раптові переходи механічної системи між станами з різною кількістю фононів. У звичайному світі ми чуємо, як звук поступово стихає, але на квантовому рівні енергія не зникає плавно: вона втрачається дискретними порціями.
Фонон — це квант механічної вібрації. Він відіграє для звуку приблизно ту саму роль, що фотон для світла: це найменша порція енергії певного коливального режиму.
Щоб побачити один такий стрибок, дослідникам потрібна була система, у якій звук зберігається достатньо довго та водночас може вимірюватися, не руйнуючи квантовий стан.
Вони створили мікроскопічний механічний резонатор на чипі, який утримував вібрацію приблизно дві мілісекунди. Для квантової системи це відносно довгий час.
Резонатор з’єднали з надпровідним кубітом — квантовим електричним елементом, здатним працювати як дуже чутливий детектор стану механічної системи.
Ключова складність полягала у вимірюванні. Звичайне пряме спостереження фонона могло б зруйнувати стан, який учені намагаються побачити.
Тому команда використала недеструктивний підхід, який дозволяв багаторазово перевіряти кількість фононів і стежити за еволюцією системи.
На записі стало видно момент, коли система перебувала у стані з одним фононом, а потім раптово переходила у стан із нульовою кількістю фононів.
Це відбувалося не як плавне зменшення амплітуди, а як дискретний квантовий стрибок — саме так, як передбачає квантова механіка.
Квантові стрибки вже спостерігали в інших системах. У 1980-х роках їх побачили для іонів, а пізніше — для фотонів. З механічними коливаннями експеримент був значно складнішим через їхню сильну взаємодію з довкіллям.
Результат має фундаментальне значення, але може бути корисним і для квантових технологій. Механічні резонатори розглядають як можливі елементи квантових сенсорів, пам’яті та інтерфейсів між різними типами кубітів.
Чим краще фізики розуміють, як окремі фонони з’являються, зникають і взаємодіють, тим точніше вони зможуть керувати квантовими механічними системами.
