Физики впервые увидели квантовый скачок звука

Звук тоже состоит из квантов

В привычном масштабе звук кажется непрерывной волной. В квантовой механике энергия механического колебания приходит дискретными порциями — фононами. Команда Stanford сообщила о первом прямом наблюдении в реальном времени того, как механический резонатор внезапно переходит из состояния с одним фононом в состояние без него. Такая смена между разрешёнными энергетическими уровнями и называется quantum jump.

Сверхпроводящий квантовый процессор как пример криогенной квантовой электроники — Иллюстративный чип Google Sycamore; это не устройство Stanford из нового эксперимента. *Источник изображения: Google / Wikimedia Commons, CC BY 3.0.*

Почему один phonon jump так трудно увидеть

Фонон в микромеханическом резонаторе живёт недолго, а обычное измерение легко разрушает состояние, которое пытаются наблюдать. Исследователи создали резонатор с ringdown около двух миллисекунд и связали его с superconducting qubit. Кубит работал как чувствительный посредник: команда могла многократно проверять, остаётся ли фонон в резонаторе, не уничтожая механическое состояние одним грубым измерением.

Сотни измерений за две миллисекунды

За короткое время жизни состояния система выполняла сотни измерений. Последовательность результатов позволила локализовать момент перехода n=1 в n=0. Открытый набор данных к работе содержит 8 447 отобранных траекторий с 294 parity checks в каждой. Это даёт внешним исследователям материал для повторного анализа статистики переходов, а не только готовый график из статьи.

Это не «звук, который телепортировался»

Термин quantum jump звучит эффектнее, чем означает физически. Речь идёт о дискретном изменении энергии хорошо изолированного механического режима на микроскопическом уровне. Это не прыжок объекта через пространство и не нарушение причинности. Ценность эксперимента в другом: исследователи получили временную траекторию отдельного квантового механического состояния вместо одного усреднённого спектра.

Зачем видеть траекторию, а не только финал

Для квантовых технологий ошибка часто является событием во времени: энергия потерялась, состояние декогерировало или система перешла на другой уровень. Если такое событие можно увидеть достаточно быстро и без разрушения состояния, появляется путь к feedback и error correction для механических квантовых систем. Механические резонаторы также интересны как сенсоры, поскольку напрямую реагируют на силу, массу и движение.

От фундаментальной физики к сенсорам

Stanford осторожно говорит о потенциале для quantum computing и sensing. Команда уже сотрудничает с группой Michael Roukes в Caltech над идеями обнаружения и идентификации белков. Но это пока не готовый биосенсор и тем более не функция следующего смартфона. Работа демонстрирует контроль и readout на фундаментальном уровне; превращение эффекта в практический прибор потребует отдельной инженерной работы.

Открытые данные усиливают проверяемость результата

В Zenodo опубликованы данные для фигур, тысячи post-selected trajectories и Python-код forward-backward algorithm, который команда применяет к траекториям. Для редакционной проверки это важный плюс: можно перейти не только к университетскому материалу, но и к набору данных, из которого построена ключевая часть вывода. Такая прозрачность отличает содержательную научную новость от красивого пресс-релиза без возможности проверки.

Коротко

Stanford получил real-time траекторию дискретного перехода механического квантового состояния, многократно считывая фонон через superconducting qubit.

Сотни измерений помещаются примерно в 2 мс жизни механического состояния.
Наблюдается переход между дискретными уровнями, а не плавная потеря энергии.
Открытый набор содержит 8 447 post-selected trajectories и код анализа.
Потенциальные применения — квантовая коррекция ошибок и высокочувствительные сенсоры.

Физики впервые увидели квантовый скачок звука в реальном времени — за две миллисекунды

В материале