Дослідники зі Стенфорда вперше безпосередньо зафіксували квантові стрибки звуку в механічному резонаторі, що стало черговим важливим етапом в історії досліджень у галузі квантової фізики, що налічує вже понад сторіччя.
Квантові стрибки - раптові переходи з одного енергетичного стану до іншого - є частиною квантової теорії з початку XX століття. Вперше вчені продемонстрували їх на прикладі захоплених іонів у 1986 році, а потім – у 2007 році – на прикладі фотонів, елементарних частинок світла. Однак зі звуком справа була складніша. Тепер група дослідників під керівництвом стенфордського фізика Аміра Сафаві-Наейні (Amir Safavi-Naeini) зуміла безпосередньо зафіксувати ці стрибки; результати роботи було опубліковано у журналі Science.
"Результати цього дослідження відкривають шлях до розробки нових квантових технологій, які використовують звук", – зазначив Сафаві-Наейні, доцент кафедри прикладної фізики Стенфордської школи гуманітарних та природничих наук. "Ми переконалися, що об'єкти, що вібрують, можуть демонструвати квантову поведінку, а це необхідна умова для виконання багатьох операцій, необхідних у квантових обчисленнях і сенсориці."
Спостереження за квантовою поведінкою звуку
Найменшою дискретною одиницею світла є фотон. Квантовим аналогом звуку служить фонон, що є узгодженим рухом безлічі атомів.
У повсякденному житті здається, що вібрація згасає плавно. Наприклад, брязкіт дзвону поступово стихає, поки звук не зникне зовсім. Однак у квантовому масштабі картина виглядає зовсім інакше. Енергія коливань резонатора змінюється стрибкоподібно, а не безперервно, подібно до того, як це раніше спостерігалося в іонів і фотонів.
Більш ранні експерименти вже давали підстави вважати, що звук здатний зазнавати таких переходів. Нове дослідження йде далі, дозволяючи в режимі реального часу відстежувати окремі фонони в момент здійснення квантових стрибків.
Мікроскопічний резонатор з надзвичайно тривалим часом згасання коливань
Механічний резонатор, використаний в експерименті, було створено із застосуванням технологій виробництва мікрочипів. Завдяки мініатюрним розмірам на одному чипі потенційно можна розмістити безліч таких резонаторів для виконання складних завдань.
Ключовою особливістю пристрою стала тривалість збереження коливань. Працюючи подібно до мікроскопічного камертона, резонатор здатний вібрувати протягом двох мілісекунд. Якби камертон звичайного розміру мав таку ж відносну здатність підтримувати коливання, він продовжував би звучати протягом кількох годин.
Настільки незвичайно тривалий час згасання коливань дозволив дослідникам виконати сотні вимірів. Ці багаторазові виміри дали можливість зафіксувати момент припинення коливань, коли рівень енергії звуку стрибком змінювався з 1 на 0.
Вимірювання тендітного квантового стану
У ході експерименту дослідники також мали розв'язати давню проблему квантової інженерії: як виміряти те, що відбувається всередині квантової системи, не порушивши при цьому крихкий стан, що піддається виміру.
Такума Макіхара та Ерік Сакіель, які розділили статус провідних авторів дослідження, розробили метод зв'язку мікроскопічного механічного резонатора з надпровідним кубітом. Кубіт являє собою електричний ланцюг, здатний зберігати квантову інформацію; у цій експериментальній установці він також виконував функцію детектора.
"Нам доводилося постійно розробляти нові технологічні процеси для створення цього об'єкта - вібраційної структури з надзвичайно великим часом життя збудження, - а потім інтегрувати його з кубітом (нашим мініатюрним електричним детектором), не пошкодивши при цьому жодну з підсистем", - зазначив Макіхарда, який нещодавно здобув докторський ступінь у Стенфорді.
Кубіт багаторазово опитує механічний резонатор протягом двох мілісекунд, поки той вібрує, визначаючи, чи фонон знаходиться в енергетичному стані 1 або 0. Повторюючи ці вимірювання, дослідники можуть точно зафіксувати момент квантового стрибка.
На шляху до квантових обчислень та надчутливих датчиків
Вчені розглядають цю роботу як ранній, але важливий крок до створення технологій, які використовують звук як квантову платформу.
Однією з можливих сфер застосування є квантова корекція помилок. У майбутньому квантові комп'ютери зможуть вирішувати складні завдання, недоступні для звичайних комп'ютерів, проте їх квантові стани вкрай крихкі, і помилки можуть виникати ще до завершення обчислень.
У багатьох системах квантових обчислень квантовий стрибок може сигналізувати про виникнення помилки. Оскільки відстежувати такі стрибки складно, можливість моніторингу за допомогою звукових коливань може стати важливим інструментом для виявлення і виправлення квантових помилок.
Поєднання механічного резонатора і кубіту також може бути основою для створення високочутливої вимірювальної платформи. Група Сафаві-Наейні вже співпрацює з командою фізика Майкла Рукса із Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech), вивчаючи можливість використання цієї системи для виявлення та ідентифікації білків усередині клітин.
Удосконалення керування звуком
У перспективі це досягнення може знайти застосування поза спеціалізованих квантових технологій. Звук відіграє важливу роль у смартфонах та багатьох інших електронних пристроях, і, за словами Сакієля — аспіранта лабораторії Сафаві-Наєїні, можливість все більш точного управління вібраціями може сприяти появі нових поколінь подібних технологій.
"Це демонструє, що ми здатні забезпечувати неймовірно точне управління звуком; а це може означати, що пристрої, в основі яких лежить використання звуку, стануть значно досконалішими", — зазначив він.
