Физики зафиксировали переходы звука между энергетическими уровнями и подтвердили его квантовую природу

Ученые из Стэнфорда впервые зафиксировали квантовые скачки звука — явление, которое предсказывали более ста лет назад. Исследовательская группа под руководством физика Амира Сафави-Наеини наблюдала, как энергия механического резонатора меняется не плавно, а дискретными шагами, что подтверждает квантовую природу звука. Результаты работы опубликованы в журнале Science.

Звук кажется нам непрерывным: струна гитары затихает постепенно, а удар в колокол медленно растворяется в тишине. Но если заглянуть в самую глубину этого процесса, в мир мельчайших частиц и энергий, привычная картина рушится. Оказывается, звук, как и свет, состоит из крошечных порций энергии, которые ведут себя по законам квантовой механики. Эти порции называют фононами — аналогами фотонов для света. И хотя физики давно подозревали, что звук может «прыгать» с одного энергетического уровня на другой, увидеть это напрямую до сих пор не удавалось. Теперь это произошло.

Квантовый скачок это внезапный переход системы из одного состояния в другое, без промежуточных ступеней. Для света такие скачки впервые увидели в 2007 году, для ионов еще раньше, в 1986-м. А вот звук оставался неуловимым. Проблема в том, что механические колебания, даже самые крошечные, очень легко разрушаются от любого вмешательства извне. Чтобы поймать момент скачка, нужно было создать нечто особенное: объект, который вибрирует долго и стабильно, и при этом инструмент, способный заглянуть внутрь этого объекта, не потревожив его хрупкое квантовое состояние.

Таким объектом стал микроскопический механический резонатор — устройство, которое можно разглядеть только под микроскопом, а изготовить его можно с помощью тех же технологий, что применяются для создания компьютерных чипов. Он работает как крошечный камертон, только в тысячи раз меньше. Самое важное его свойство это удивительная продолжительность вибрации. Если бы обычный камертон мог звучать так же долго, как этот резонатор, он бы не затихал несколько часов. В эксперименте же резонатор сохранял колебания в течение двух миллисекунд. Это позволило ученым провести сотни измерений подряд и точно определить момент, когда энергия вибрации резко менялась, например, переходила с первого уровня на нулевой.

Чтобы «услышать» эти скачки, исследователи объединили резонатор со сверхпроводящим кубитом — крошечной электрической схемой, которая умеет хранить квантовую информацию и работать как детектор. Кубит считывал состояние резонатора, по сути, многократно проверяя, есть ли в нем фонон или нет. Главная сложность заключалась в том, чтобы соединить эти две системы, не разрушив ни одну из них. Соавторы работы, Такума Макихара и Эрик Шакиэль, разработали специальный метод сопряжения, который позволил резонатору и кубиту работать вместе. В результате удалось не только увидеть отдельные фононы, но и зафиксировать их квантовые прыжки в реальном времени.

Если перейти к конкретным числам, то картина становится еще нагляднее. Резонатор был изготовлен из ниобата лития — материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, то есть способного превращать механические колебания в электрические сигналы и наоборот. Время жизни механических колебаний составило целых две миллисекунды, что для объекта микронных размеров является выдающимся показателем.

Связь между резонатором и кубитом характеризовалась дисперсионным сдвигом в один килогерц на каждый фонон — это означает, что присутствие даже одного кванта звука заметно меняло частоту кубита, позволяя его регистрировать. Ученым удалось подготовить состояние с одним фононом с точностью 85 процентов, то есть в 85 случаях из ста система действительно содержала ровно один квант звука, а не ноль или два. Именно такая высокая точность и позволила увидеть отдельные скачки между первым возбужденным состоянием и основным, то есть между наличием одного фонона и его полным отсутствием.

Такое достижение не просто красивая демонстрация законов природы. Оно открывает путь к новым технологиям. Например, квантовые вычисления очень чувствительны к ошибкам, которые возникают из-за таких же скачков. Если научиться их вовремя замечать, можно будет исправлять ошибки до того, как вычисление пойдет не так. Кроме того, связка резонатора и кубита может стать основой для сверхточных сенсоров.

Уже сейчас команда Сафави-Наеини вместе с физиками из Калифорнийского технологического института изучает возможность использовать эту платформу для обнаружения белков внутри живых клеток. А в более далекой перспективе возможно улучшение смартфонов и других устройств, где звук играет ключевую роль. Ведь если мы можем управлять звуком на квантовом уровне, значит, можем сделать устройства, использующие звук, гораздо более совершенными.

Результат исследования: впервые в истории науки удалось напрямую наблюдать квантовые скачки звука — переходы механического резонатора между энергетическими состояниями, соответствующими наличию или отсутствию одного фонона. Это подтверждает, что даже массивные вибрирующие объекты подчиняются квантовым законам, и открывает новые возможности для квантовых вычислений, сенсорики и повседневных технологий.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях