Уперше вчені спостерігали, як звук переходить між квантовими станами

Дослідники зі Стенфордського університету зафіксували перші квантові стрибки звуку в реальному часі, спостерігаючи, як окремі фонони раптово зникають, переходячи з одного енергетичного стану в інший. Цей прорив може відкрити нові шляхи для квантових обчислень, виправлення помилок, високочутливих біологічних сенсорів і звукових пристроїв нового покоління.

Дослідники зі Стенфордського університету вперше безпосередньо спостерігали квантові стрибки звуку в механічному резонаторі, що стало останнім досягненням у низці досліджень квантової фізики, яка триває вже понад століття.

Квантові стрибки — раптові переходи з одного енергетичного стану в інший — є частиною квантової теорії від початку 1900-х років. Уперше дослідники продемонстрували їх у захоплених іонах у 1986 році, а 2007 року — у фотонах, фундаментальних частинках світла. Однак звук залишався складнішою мішенню. Команда під керівництвом фізика зі Стенфорда Аміра Сафаві-Наїні тепер безпосередньо зафіксувала ці стрибки; результати опубліковано в Science.

«Це дослідження показує, що ми зможемо рухатися вперед у розробленні нових квантових технологій зі звуком», — сказав Сафаві-Наїні, доцент прикладної фізики Школи гуманітарних і природничих наук Стенфордського університету. «Ми побачили, що вібруючі об’єкти можуть демонструвати квантову поведінку, яка є необхідною передумовою для багатьох операцій, потрібних у квантових обчисленнях і сенсорах».

Спостереження за квантово-механічною поведінкою звуку

Найменшою дискретною одиницею світла є фотон. Квантовим еквівалентом звуку є фонон, який представляє узгоджений рух багатьох атомів.

У повсякденному житті здається, що вібрація згасає плавно. Наприклад, дзвін поступово стихає, доки звук не зникає. На квантовому рівні картина зовсім інша. Вібраційна енергія резонатора змінюється окремими кроками, а не безперервно, подібно до поведінки, яку раніше спостерігали в іонах і фотонах.

Попередні експерименти вже надали докази того, що звук може зазнавати таких переходів. Нове дослідження йде далі, безпосередньо відстежуючи окремі фонони в момент їхніх квантових стрибків у реальному часі.

Мікроскопічний резонатор із надзвичайно тривалим звучанням

Механічний резонатор, використаний в експерименті, виготовили із застосуванням технологій виробництва мікросхем. Його крихітний розмір означає, що потенційно багато таких резонаторів можна розмістити на одній мікросхемі для виконання складних завдань.

Критично важливою особливістю була тривалість, протягом якої пристрій міг продовжувати вібрувати. Резонатор, який дещо нагадує мікроскопічний камертон, може вібрувати протягом двох мілісекунд. Якби звичайний камертон такого самого розміру мав аналогічну відносну здатність підтримувати вібрації, він продовжував би звучати кілька годин.

Цей надзвичайно тривалий «час затухання» дав дослідникам достатньо часу, щоб зібрати сотні вимірювань. Ці повторні показники дозволили їм визначити момент, коли вібрація зникала, а звук переходив з енергетичного стану 1 у стан 0.

Вимірювання крихкого квантового стану

Експеримент також вимагав від дослідників розв’язати давню проблему квантової інженерії: вимірювати те, що відбувається всередині квантової системи, не порушуючи делікатного стану, який вимірюють.

Такума Макіхара та Ерік Сзакієль, перші співавтори дослідження, розробили метод з’єднання мікроскопічного механічного резонатора з надпровідним кубітом. Кубіт — це електричне коло, здатне зберігати квантову інформацію, яке в цій системі також виконувало роль детектора.

«Нам довелося постійно розробляти нові процеси, щоб створити цей надзвичайно довговічний вібруючий об’єкт, а потім інтегрувати його з кубітом — нашим маленьким електричним детектором, — не зруйнувавши жодну із субсистем», — сказав Макіхара, який нещодавно здобув докторський ступінь у Стенфорді.

Кубіт багаторазово перевіряє механічний резонатор протягом двох мілісекунд його вібрації, визначаючи, чи перебуває фонон в енергетичному стані 1 або 0. Виконуючи ці вимірювання знову і знову, дослідники можуть точно визначити момент квантового стрибка.

На шляху до квантових обчислень і надчутливих сенсорів

Дослідники вважають цю роботу раннім, але важливим кроком до технологій, які використовують звук як квантову платформу.

Одним із потенційних застосувань є виправлення квантових помилок. Квантові комп’ютери зрештою можуть розв’язувати певні складні задачі, недоступні звичайним комп’ютерам, але їхні квантові стани надзвичайно крихкі. Помилки можуть виникнути до завершення обчислення.

У багатьох системах квантових обчислень квантовий стрибок може сигналізувати про виникнення помилки. Виявляти такі стрибки було складно, тому можливість відстежувати їх у звуці може стати важливим новим інструментом для виявлення та виправлення квантових помилок.

Поєднання механічного резонатора та кубіта також може стати високочутливою вимірювальною платформою. Група Сафаві-Наїні вже співпрацює з командою фізика Майкла Рукса з Каліфорнійського технологічного інституту, щоб дослідити, чи можна використовувати цю систему для виявлення та ідентифікації білків усередині клітин.

Кращий контроль звуку

За словами Сзакієля, нинішнього докторанта в лабораторії Сафаві-Наїні, це досягнення зрештою може знайти застосування за межами спеціалізованих квантових технологій. Звук відіграє важливу роль у смартфонах і багатьох інших електронних пристроях, а дедалі точніший контроль над вібраціями може сприяти появі нових поколінь таких технологій.

«Це показує, що ми можемо неймовірно точно контролювати звук, а це може означати, що пристрої, які використовують звук як фундаментальну технологію, стануть набагато кращими», — сказав він.

Сафаві-Наїні також є членом Stanford Q-FARM і Bio-X.

Серед інших співавторів зі Стенфорда — Девід Шустер, професор імені Джоан Райнхарт і професор прикладної фізики в H&S; Шеннон Гарві, науковець Національної прискорювальної лабораторії SLAC; Міхір Пендхаркар, науковець-фізик з лабораторії Едварда Л. Ґінцтона; колишня докторантка з прикладної фізики Рейчел Ґрюнке-Фройденштайн; а також Олівер Гічкок, Метью Максимович і Кавех Пезешкі, докторанти з прикладної фізики.

Це дослідження отримало підтримку від Amazon Web Services Inc., Управління наукових досліджень Військово-повітряних сил ОДА (Пн), Управління військово-морських досліджень, Національного наукового фонду, Ради з природничих наук та інженерних досліджень Канади й Міністерства оборони ОДА (Пн).