Американские исследователи впервые смогли напрямую увидеть «квантовый скачок» звука — скачкообразный переход фонона, минимальной единицы звуковой энергии, между энергетическими уровнями в реальном времени.
Это наблюдение завершило столетнюю историю поисков, начатую еще на заре квантовой физики, и открыло дорогу к созданию устойчивых квантовых компьютеров и сверхчувствительных датчиков.
Исследовательская группа из Стэнфордского университета (США) создала для эксперимента микроскопический механический резонатор с помощью стандартных технологий производства микрочипов. Это крошечное устройство работает как миниатюрный камертон, но обладает уникальным свойством — способно сохранять вибрацию в течение двух миллисекунд. Для мира квантовой физики это огромный срок: если бы обычной настройке камертона дали пропорциональную устойчивость, он звенел бы без остановки несколько часов подряд.
В привычном нам мире звук угасает плавно — как затихающий гул колокола. Но на микроуровне энергия звука не умеет снижаться постепенно. Она опускается строгими ступенями — отдельными порциями, которые называют фононами (квантами звука). В отличие от фотона (частицы света), фонон — не одиночная крупица материи, а коллективное, согласованное движение миллионов атомов.
Главной сложностью для ученых оставался сам процесс наблюдения: любое вмешательство извне легко разрушает хрупкую квантовую систему. Чтобы обойти эту проблему, исследователи соединили микроскопический резонатор со сверхпроводящим кубитом — особой электрической цепью, которая сыграла роль сверхаккуратного детектора.
Кубит непрерывно проверял состояние вибрации, не сбивая ее, что позволило зафиксировать точный миг, когда фонон совершил мгновенный скачок с энергетического уровня 1 на уровень 0. Результаты исследования опубликовали в научном журнале Science.
В 1986 году ученым удавалось напрямую фиксировать подобные квантовые прыжки только у ионов, а в 2007-м — у частиц света, фотонов. Поймать аналогичное поведение у звуковых волн долгое время считалось практически невыполнимой задачей.
Это открытие имеет огромное практическое значение. Возможность фиксировать квантовые скачки звука поможет решить главную проблему квантовых компьютеров — коррекцию ошибок, которые постоянно возникают из-за нестабильности квантовых систем. Теперь физики смогут точно фиксировать момент сбоя информации. Кроме того, невероятная чувствительность комбинации резонатора и кубита позволит создавать детекторы нового поколения — например, приборы для обнаружения и распознавания отдельных молекул белков внутри живых клеток.
Автор: Марк Чернов