Стэнфордские физики впервые напрямую зафиксировали квантовые скачки звука в механическом резонаторе, что представляет собой новый рубеж в длинной череде экспериментов по квантовой физике. Результаты опубликованы в журнале Science и описывают переходы энергии резонатора между дискретными состояниями, аналогичные тем, что ранее наблюдались у ионов и фотонов, но ранее звук оставался более сложной мишенью.

Квантовые скачки — это мгновенные переходы между энергетическими состояниями. Основные их принципы известны с начала XX века: ранее их демонстрировали на trapping-иванах в 1986 году, затем на фотонах в 2007 году. В исследовании под руководством амирa Савати-Наеини из Стэнфорда зафиксированы сами скачки звука — фононов — в реальном времени, что отмечено в опубликованной статье.

Фонон — квантовый эквивалент колебаний звука, и он представляет собой координированное движение множества атомов. В быту колебания кажутся плавно затихающими, но на квантовом уровне энергия резонатора изменяется пошагово, как и ранее происходило в ионах и фотонах. Именно это поведение позволило учёным подойти к записи самих скачков.

Экспериментальная установка была создана на основе микрочиповых технологий: резонатор миниатюрен настолько, что на чип можно поместить множество таких элементов для выполнения сложных задач. Ключевой особенностью стал длительный период колебаний: резонатор может вибрировать около двух миллисекунд, что при аналогичных масштабах обычного

Исследование подчеркивает, что длительная «ringdown» и повторяющиеся измерения позволили зафиксировать момент исчезновения колебания и скачок звука с энергии состояния 1 в состояние 0. Для этого команда разработала метод связки микроскопического механического резонатора с сверхпроводниковым кубитом, который выступал в роли детектора. Сопровождаемые Такумой Макихарой и Эриком Шакиелом соавторы-руководители проекта объясняют, что постоянная интеграция резонатора и кубита без разрушения обеих подсистем была ключевой задачей эксперимента.

По словам авторов, данный эксперимент является ранним, но важным шагом к технологиям, использующим звук как квантовую платформу, а также к концепциям квантовой коррекции ошибок. Возможные применения включают создание более чувствительных измерительных систем и использование таких сочетаний резонатора с кубитом для обнаружения и идентификации молекул в клетках. В контексте дальнейших работ совместно с другими группами учёные планируют исследовать, как система может служить для распознавания белков и других молекул.

Работа финансировалась рядом организаций: Amazon Web Services, Управление военно-авиационных исследований США, Национальный научный фонд и другие, а также канадский совет естественных наук и оборонная сфера США. Авторы подчеркивают, что Савви-Наеини и Шустер являются амазоновскими стипендиатами, что отражает связь проекта с индустриальными партнёрами.