3809
Фізики зі Стенфордського університету вперше безпосередньо простежили в реальному часі квантовий стрибок звуку — момент, коли механічна система раптово переходить зі стану з одним фононом у стан без нього. Дослідження показало те, що квантова механіка передбачала давно: на дуже малих масштабах енергія коливань змінюється не плавно, а дискретними порціями.
Фонон — це квант механічної вібрації. Він не є окремою частинкою звуку в побутовому сенсі, а описує узгоджений рух великої кількості атомів у матеріалі. Якщо спостерігати за звичайним камертоном, його звук здається таким, що поступово стихає. На квантовому рівні, однак, енергія системи може певний час залишатися на одному рівні, а потім раптово перейти на інший.
Щоб побачити цей процес, команда використала мікроскопічний механічний резонатор, виготовлений методами мікроелектроніки. За принципом роботи він нагадує крихітний камертон, але здатний зберігати коливання приблизно дві мілісекунди — надзвичайно довго для подібної квантової системи.
Саме цей тривалий час життя коливання дозволив ученим виконати сотні послідовних вимірювань. Резонатор з’єднали з надпровідним кубітом, який працював як детектор і багаторазово перевіряв, чи перебуває система в однофононному стані, чи вже перейшла в основний стан.
У результаті дослідники отримали не усереднену картину з великої кількості повторів, а часовий запис окремої квантової траєкторії. Вони побачили, як протягом певного часу в системі зберігався один фонон, після чого відбувався різкий перехід зі стану 1 у стан 0.
Ключова складність полягала в тому, щоб вимірювати квантовий стан і водночас не руйнувати його самим спостереженням. Для цього команда використала так звані квантові неруйнівні вимірювання, за яких кубіт отримує інформацію про число фононів, але не повинен одразу знищувати сам стан.
Подібні квантові стрибки раніше вже спостерігали для іонів і фотонів, однак у механічному резонаторі окремий фонон у реальному часі простежили вперше. Автори вважають, що це може мати значення для квантових обчислень і надчутливих сенсорів, де втрата одиничного квантового збудження може бути помилкою, яку важливо вчасно помітити.
Поки що йдеться про фундаментальний експеримент у спеціально створеній кріогенній системі, а не про готову побутову технологію. Проте результат показує, що механічними коливаннями можна керувати й вимірювати їх на рівні одиничних квантів — це важливий крок до пристроїв, у яких звук використовуватимуть для зберігання, передавання або обробки квантової інформації.
https://socportal.info/ua/news/fiziki-vpershe-pobachili-kvantovii-stribok-zvuku-v-realnomu-chasi/
