Фізики вперше побачили квантовий стрибок звуку

Звук теж складається з квантів

У звичному масштабі звук здається безперервною хвилею. У квантовій механіці енергія механічного коливання приходить дискретними порціями — фононами. Команда Stanford повідомила про перше пряме спостереження в реальному часі того, як механічний резонатор раптово переходить від стану з одним фононом до стану без нього. Така зміна між дозволеними енергетичними рівнями і є quantum jump.

Надпровідний квантовий процесор як приклад кріогенної квантової електроніки — Ілюстративний чип Google Sycamore; це не пристрій Stanford із нового експерименту. *Джерело зображення: Google / Wikimedia Commons, CC BY 3.0.*

Чому один phonon jump так складно побачити

Фонон у мікромеханічному резонаторі живе недовго, а звичайне вимірювання легко руйнує стан, який намагаються спостерігати. Дослідники створили резонатор з ringdown приблизно дві мілісекунди та зв’язали його з superconducting qubit. Кюбіт працював як чутливий посередник: команда могла багато разів перевіряти, чи залишається фонон у резонаторі, не знищуючи механічний стан одним грубим вимірюванням.

Сотні вимірювань у двох мілісекундах

За коротке вікно життя стану система виконувала сотні вимірювань. Послідовність результатів дозволила локалізувати момент, коли стан n=1 переходив у n=0. Відкритий набір даних до роботи містить 8 447 відібраних траєкторій із 294 parity checks у кожній. Це дає зовнішнім дослідникам матеріал для повторного аналізу статистики переходів, а не лише готовий графік із статті.

Це не «звук, який телепортувався»

Термін quantum jump звучить ефектніше, ніж означає фізично. Йдеться про дискретну зміну енергії дуже добре ізольованого механічного режиму на мікроскопічному рівні. Це не стрибок об’єкта крізь простір і не порушення причинності. Цінність експерименту в іншому: дослідники отримали часову траєкторію окремого квантового механічного стану замість лише усередненого спектра.

Навіщо бачити траєкторію, а не тільки фінал

Для квантових технологій помилка часто є подією в часі: енергія втратилася, стан декогерував або система перейшла на інший рівень. Якщо таку подію можна побачити достатньо швидко й без руйнування стану, виникає шлях до feedback та error correction для механічних квантових систем. Механічні резонатори також цікаві як сенсори, бо безпосередньо реагують на силу, масу та рух.

Від фундаментальної фізики до сенсорів

Stanford обережно вказує на потенціал для quantum computing і sensing. Команда вже співпрацює з групою Michael Roukes у Caltech над ідеями виявлення та ідентифікації білків. Але це ще не готовий біосенсор і тим більше не функція наступного смартфона. Робота демонструє контроль і readout на фундаментальному рівні; перетворення ефекту на практичний пристрій вимагатиме окремої інженерії.

Відкриті дані роблять результат сильнішим для перевірки

У Zenodo опубліковані дані для фігур, тисячі post-selected trajectories та Python-код forward-backward algorithm, який команда застосовує до траєкторій. Для редакційної перевірки це важливий плюс: можна перейти не тільки на університетський матеріал, а й до набору даних, з якого побудована ключова частина висновку. Саме така прозорість відрізняє змістовну наукову новину від красивого пресрелізу без можливості перевірки.

Коротко

Stanford отримав real-time траєкторію дискретного переходу механічного квантового стану, багаторазово зчитуючи фонон через superconducting qubit.

Сотні вимірювань вміщуються у приблизно 2 мс життя механічного стану.
Спостерігається перехід між дискретними рівнями, а не плавна втрата енергії.
Відкритий набір містить 8 447 post-selected trajectories і код аналізу.
Потенційні застосування — квантова корекція помилок і високочутливі сенсори.

Фізики вперше побачили квантовий стрибок звуку в реальному часі — за дві мілісекунди

У матеріалі