Физики в начальный раз увидели переход звука между квантовыми состояниями

Исследователи из Стэнфордского университета в начальный раз напрямую наблюдали квантовые скачки звука в механическом резонаторе, добившись нового результата в экспериментальной квантовой физике.

Квантовые скачки, то есть внезапные переходы между дискретными энергетическими состояниями, появились в квантовой теории ещё в начале XX века. В 1980-х годах их наблюдали у захваченных ионов, позднее — у фотонов, тем не менее непосредственно проследить такие скачки механических колебаний долгое время не удавалось. Новая работа команды под руководством физика Стэнфордского университета Амира Сафави‑Наэини опубликована в журнале Science.

Квант механического колебания называют фононом. В отличие от фотона, который является элементарной частицей, фонон представляет собой квазичастицу, описывающую согласованное движение множества атомов.

В повседневной жизни колебания кажутся затухающими плавно. В частности, звон колокола постепенно становится тише, пока полностью не исчезает. Однако на квантовом уровне энергия механического резонатора принимает дискретные значения и может скачком переходить с одного уровня на другой.

Предыдущие эксперименты уже свидетельствовали о квантовании энергии механических колебаний. В новой работе учёные пошли дальше: они многократно измеряли число фононов и в реальном времени наблюдали отдельные переходы между первым возбуждённым и основным состояниями резонатора.

Для эксперимента использовали необычно долгоживущий наномеханический резонатор, изготовленный с помощью технологий производства микросхем. Механическое возбуждение сохранялось в нём приблизительно 2,1 миллисекунды, что позволяло провести сотни измерений до исчезновения колебаний.

Чтобы следить за резонатором, не разрушая его квантовое состояние, команда связала его со сверхпроводящим кубитом, который выполнял роль детектора. Такая платформа позволила многократно проводить квантовые неразрушающие измерения числа фононов.

Исследователи смогли подготавливать однофононные состояния с точностью около 85%, а затем наблюдать, как резонатор скачком переходит из состояния с одним фононом в состояние с нулём фононов.

Возможность многократно регистрировать отдельные фононы в перспективе может пригодиться в квантовых технологиях. Механические системы рассматривают в качестве квантовой памяти, интерфейсов и сенсоров, а наблюдение квантовых скачков может помочь выявлять ошибки в будущих квантовых системах на основе фононов.

Миниатюрный резонатор равным образом можно интегрировать с другими устройствами на одном чипе, что потенциально позволит разрабатывать высокочувствительные измерительные системы.

Тем не менее пока работа представляет собой фундаментальную демонстрацию, а не готовую систему коррекции квантовых ошибок или практический сенсор. Главный результат состоит в том, что исследователи непосредственно проследили, как энергия механического объекта изменяется отдельными квантовыми скачками.