Вчені вперше побачили, як звук робить квантовий стрибок – що це означає

Вчені зі Стенфордського університету вперше безпосередньо спостерігали квантові стрибки звуку в механічному резонаторі. Про це пише Sciencedaily.

Як звук може робити квантові стрибки?

Дослідження очолив фізик Амір Сафаві-Наїні, доцент прикладної фізики Школи гуманітарних і природничих наук Стенфордського університету.

Квантовий стрибок – це раптовий перехід системи з одного енергетичного стану в інший. Таке явище стало одним із фундаментальних понять квантової фізики ще на початку XX століття. Перші експериментальні спостереження квантових стрибків у захоплених іонах провели у 1986 році. У 2007 році вчені змогли спостерігати аналогічну поведінку фотонів – фундаментальних частинок світла.

Зі звуком ситуація складніша. У повсякденному житті здається, що вібрація поступово слабшає. Наприклад, після удару дзвін поступово затихає, а його енергія ніби безперервно зменшується.

На квантовому рівні картина інша. Енергія механічної системи може змінюватися окремими дискретними порціями. Найменшою квантовою одиницею звукової хвилі є фонон – квант колективного руху великої кількості атомів.

Саме окремі фонони дослідники змогли відстежити під час експерименту.

Це дослідження показує, що дозволить нам рухатися далі у створенні нових квантових технологій зі звуком. Ми побачили, що вібруючі об'єкти можуть демонструвати квантову поведінку, а це необхідна умова для багатьох операцій, потрібних у квантових обчисленнях і сенсорах, – сказав Амір Сафаві-Наїні.

Як вчені змогли побачити окремий фонон?

Для експерименту дослідники створили крихітний механічний резонатор за допомогою технологій виробництва мікросхем. Його невеликий розмір у майбутньому може дозволити розміщувати багато таких пристроїв на одному чипі.

Однак головною особливістю резонатора стала не лише його мініатюрність. Пристрій здатен дуже довго зберігати вібрацію. За принципом роботи він нагадує крихітний камертон. Резонатор може продовжувати вібрувати приблизно 2 мілісекунди. Для такого мікроскопічного пристрою це надзвичайно тривалий час.

Дослідники наводять показову аналогію: якби звичайний камертон мав таку саму здатність зберігати вібрацію відносно свого розміру, він продовжував би звучати протягом кількох годин.

Саме тривалий час загасання, або ringdown time, дав команді можливість багаторазово вимірювати стан резонатора. Вчені змогли зібрати сотні вимірювань і встановити момент, коли вібрація зникала, а система переходила з енергетичного стану 1 у стан 0. Тобто, дослідники не просто отримали непрямі докази квантової поведінки звуку. Вони змогли відстежити окремі переходи безпосередньо в процесі експерименту.

Чому виміряти квантовий стан було так складно?

Однією з найбільших проблем став сам процес вимірювання. Квантові системи надзвичайно чутливі до зовнішнього впливу, тому спроба перевірити їхній стан може змінити його.

Команді потрібно було створити систему, яка дозволила б постійно контролювати механічний резонатор, не зруйнувавши його крихкий квантовий стан. Такума Макіхара та Ерік Сзакіель, які стали першими співавторами дослідження, розробили спосіб з'єднати механічний резонатор із надпровідним кубітом.

Кубіт – це електрична схема, здатна зберігати квантову інформацію. У цьому експерименті він виконував ще одну роль – надзвичайно чутливого 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 з підсистем", – пояснив Макіхара, який нещодавно завершив докторську програму у Стенфорді.

Кубіт багаторазово перевіряв механічний резонатор протягом приблизно 2 мілісекунд його вібрації. Він визначав, чи перебуває фонон у стані 1 або 0. Повторення таких вимірювань дозволило дослідникам визначити момент квантового переходу.

Чи допоможе це створити кращі квантові комп'ютери?

Вчені розглядають отриманий результат як один із перших кроків до використання звуку як повноцінної квантової платформи.

Одним із потенційних напрямів є квантова корекція помилок. Квантові комп'ютери здатні виконувати обчислення, які в певних задачах можуть бути недоступними для традиційних комп'ютерів. Однак квантові стани надзвичайно крихкі, тому помилки можуть виникати ще до завершення розрахунку.

У багатьох квантових системах квантовий стрибок може бути ознакою того, що сталася помилка. Проблема полягає в тому, що виявляти такі переходи складно. Можливість постійно спостерігати за квантовими стрибками у механічній системі потенційно дає дослідникам новий інструмент для виявлення та виправлення подібних помилок.

Втім, нинішня робота ще не означає появу нового типу квантового комп'ютера. Дослідження демонструє можливість контролювати й вимірювати квантову поведінку механічної системи, а практичне використання цієї властивості потребуватиме подальших експериментів.

Ще один напрям пов'язаний із надточними вимірюваннями. Поєднання механічного резонатора з кубітом може перетворитися на дуже чутливу платформу для виявлення найменших змін у системі. Група Сафаві-Наїні вже співпрацює з командою фізика Майкла Рукса з Каліфорнійського технологічного інституту, щоб перевірити, чи можна використовувати цю систему для виявлення та ідентифікації білків усередині клітин.

Якщо такий підхід спрацює, технологія може отримати застосування в біологічних дослідженнях і сенсориці. Однак наразі це напрям подальших досліджень, а не готова медична або діагностична технологія.

Точніше керування звуком може знадобитися не лише квантовій фізиці

Потенційний вплив відкриття не обмежується лабораторними квантовими системами. Звук і механічні коливання вже використовуються в смартфонах та інших електронних пристроях.

За словами Еріка Сзакіеля, отримані результати демонструють можливість надзвичайно точного контролю над звуком. У перспективі це може допомогти створювати нові пристрої, для яких акустичні або механічні коливання є фундаментальною частиною роботи.

Це показує, що ми можемо отримати неймовірно точний контроль над звуком. Це може означати, що пристрої, які використовують звук як фундаментальну технологію, зможуть стати значно кращими, – сказав Сзакіель.

У дослідженні також брали участь Девід Шустер, професор прикладної фізики Стенфордського університету, Шеннон Гарві з Національної прискорювальної лабораторії SLAC, Міхір Пендхаркар з лабораторії Едварда Л. Гінцтона, колишня докторантка Рейчел Грюенке-Фройденштайн, а також докторанти Олівер Гічкок, Метью Максимович і Каве Пежешкі.

Амір Сафаві-Наїні також є учасником наукових програм Stanford Q-FARM та Bio-X. Результати дослідження опубліковані в журналі Science. Робота демонструє, що механічні коливання можуть не просто мати квантові властивості, а й дозволяти дослідникам безпосередньо спостерігати за окремими квантовими переходами. Це створює основу для подальших експериментів із квантовими обчисленнями, сенсорами та технологіями, що використовують звук.