Физики из Стэнфордского университета впервые напрямую зафиксировали квантовые скачки звука – мгновенные переходы между дискретными уровнями энергии. Ранее подобное явление наблюдали только для ионов и частиц света – фотонов. Результаты исследования, открывающего путь к новым квантовым технологиям, опубликованы в журнале Science.
Квантовый скачок – это фундаментальное явление, при котором физическая система, например атом, переходит из одного энергетического состояния в другое не плавно, а мгновенно. Квант звуковой волны называют фононом. В отличие от привычного затухания звука в макромире, на квантовом уровне энергия колебаний меняется скачкообразно. До сих пор учёным удавалось получать лишь косвенные подтверждения этого процесса для звука, но не наблюдать его в реальном времени.
Для эксперимента исследователи создали микроскопический механический резонатор, изготовленный по технологиям производства чипов. Ключевой особенностью устройства стала его способность сохранять колебания в течение двух миллисекунд. Для обычного камертона это было бы эквивалентно нескольким часам непрерывного звучания. Такое продолжительное «звучание» позволило провести сотни измерений и точно определить момент, когда колебание исчезало – то есть фонон перескакивал с первого энергетического уровня на нулевой.
Главная сложность заключалась в том, чтобы измерить хрупкое квантовое состояние, не разрушив его. Ученые решили эту задачу, связав резонатор со сверхпроводящим кубитом, который и выступил в роли детектора. Кубит многократно проверял состояние резонатора, что позволило с высокой точностью установить момент квантового скачка.
По мнению авторов, их достижение открывает путь к созданию технологий, в которых звук используется как квантовая платформа. Например, отслеживание скачков фононов может стать новым инструментом для выявления и исправления ошибок в квантовых компьютерах. Также система из резонатора и кубита может лечь в основу сверхчувствительных сенсоров, способных, к примеру, обнаруживать и идентифицировать отдельные белковые молекулы в клетках.
