Впервые учёные наблюдают, как звук перескакивает между квантовыми состояниями

Исследователи из Стэнфордского университета впервые в реальном времени зарегистрировали квантовые скачки звука, наблюдая, как отдельные фононы внезапно исчезают, переходя из одного энергетического состояния в другое. Это достижение может открыть новые возможности для квантовых вычислений, коррекции ошибок, высокочувствительных биологических сенсоров и звуковых устройств следующего поколения.

Исследователи из Стэнфордского университета впервые непосредственно наблюдали квантовые скачки звука в механическом резонаторе, что стало очередной важной вехой в развитии квантовой физики, история которого насчитывает более века.

Квантовые скачки — внезапные переходы из одного энергетического состояния в другое — являются частью квантовой теории с начала 1900-х годов. Впервые исследователи продемонстрировали их на захваченных ионах в 1986 году, а затем — на фотонах, фундаментальных частицах света, в 2007 году. Однако звук оставался более сложной целью. Команда под руководством физика из Стэнфорда Амира Сафа́ви-Наэни теперь непосредственно зарегистрировала эти скачки; результаты опубликованы в Science.

«Это исследование показывает, что мы сможем продвинуться в разработке новых квантовых технологий с использованием звука», — сказал Сафа́ви-Наэни, доцент прикладной физики Стэнфордской школы гуманитарных и естественных наук. «Мы увидели, что вибрирующие объекты могут демонстрировать квантовое поведение, а это необходимое условие для многих операций, требуемых квантовыми вычислениями и сенсорикой».

Наблюдение за квантовым поведением звука

Наименьшая дискретная единица света — фотон. Квантовый эквивалент звука — фонон, который представляет собой согласованное движение множества атомов.

В повседневной жизни кажется, что вибрация затухает плавно. Например, звон колокола постепенно становится тише, пока звук не исчезает. На квантовом уровне картина совершенно иная. Вибрационная энергия резонатора изменяется отдельными ступенями, а не непрерывно, во многом подобно поведению, ранее наблюдавшемуся у ионов и фотонов.

Предыдущие эксперименты давали основания полагать, что звук может претерпевать такие переходы. Новое исследование идет дальше: в нем непосредственно отслеживаются отдельные фононы, совершающие квантовые скачки в реальном времени.

Микроскопический резонатор с необычно долгим звучанием

Механический резонатор, использованный в эксперименте, был изготовлен с применением технологий производства микросхем. Его крошечные размеры означают, что потенциально множество таких резонаторов можно разместить на одном чипе для выполнения сложных задач.

Критически важной особенностью стала продолжительность вибрации устройства. Подобно микроскопическому камертону, резонатор может вибрировать в течение двух миллисекунд. Если бы обычный камертон имел такую же относительную способность поддерживать вибрации, он продолжал бы звучать несколько часов.

Это необычно долгое «время затухания» дало исследователям достаточно времени, чтобы собрать сотни измерений. Эти повторные показания позволили определить момент, когда вибрация исчезала, а звук переходил из энергетического состояния 1 в состояние 0.

Измерение хрупкого квантового состояния

Эксперимент также потребовал от исследователей решить давнюю проблему квантовой инженерии: измерить происходящее внутри квантовой системы, не нарушив хрупкое состояние, которое подвергается измерению.

Такума Макихара и Эрик Шакиль, первые соавторы исследования, разработали метод соединения микроскопического механического резонатора со сверхпроводящим кубитом. Кубит — это электрическая цепь, способная хранить квантовую информацию, которая в данной установке также выполняла роль детектора.

«Нам пришлось постоянно разрабатывать новые процессы, чтобы создать этот чрезвычайно долгоживущий вибрирующий объект, а затем интегрировать его с кубитом, нашим небольшим электрическим детектором, — не повредив ни одну из подсистем», — сказал Макихара, недавно окончивший докторантуру в Стэнфорде.

Кубит многократно проверяет механический резонатор в течение двух миллисекунд его вибрации, определяя, находится ли фонон в энергетическом состоянии 1 или 0. Проводя эти измерения снова и снова, исследователи могут точно определить момент квантового скачка.

На пути к квантовым вычислениям и сверхчувствительным сенсорам

Исследователи рассматривают эту работу как ранний, но важный шаг к технологиям, использующим звук в качестве квантовой платформы.

Одно из потенциальных применений — коррекция квантовых ошибок. В конечном счете квантовые компьютеры смогут решать некоторые сложные задачи, недоступные обычным компьютерам, однако их квантовые состояния чрезвычайно хрупки. Ошибки могут возникнуть до завершения вычисления.

Во многих системах квантовых вычислений квантовый скачок может сигнализировать о возникновении ошибки. Обнаружить такие скачки было сложно, поэтому возможность отслеживать их в звуке может стать важным новым инструментом для выявления и исправления квантовых ошибок.

Сочетание механического резонатора и кубита также может превратиться в высокочувствительную измерительную платформу. Группа Сафа́ви-Наэни уже сотрудничает с командой физика Майкла Рукса из Калифорнийского технологического института, чтобы выяснить, можно ли использовать эту систему для обнаружения и идентификации белков внутри клеток.

Более точный контроль звука

По словам Шакиля, нынешнего докторанта в лаборатории Сафа́ви-Наэни, это достижение в конечном счете может найти применение за пределами специализированных квантовых технологий. Звук играет важную роль в смартфонах и многих других электронных устройствах, а все более точный контроль вибраций может способствовать созданию новых поколений таких технологий.

«Это показывает, что мы можем невероятно точно управлять звуком, а значит, устройства, использующие звук в качестве фундаментальной технологии, могут стать гораздо лучше», — сказал он.

Сафа́ви-Наэни также является членом Stanford Q-FARM и Bio-X.

Другими соавторами из Стэнфорда являются Дэвид Шустер, профессор Джоан Райнхарт и профессор прикладной физики в H&S; Шеннон Харви, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC; Михир Пендхаркар, научный сотрудник по физическим исследованиям лаборатории Эдварда Л. Гинцтона; бывшая докторантка по прикладной физике Рэйчел Грюнке-Фройденштейн; а также Оливер Хичкок, Мэтью Максимович и Кавех Пезешки, докторанты по прикладной физике.

Это исследованиеได้รับ поддержку от Amazon Web Services Inc., Управления научных исследований ВВС ОГА (С), Управления военно-морских исследований, Национального научного фонда, Совета по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады и Министерства обороны ОГА (С).