Физики из США под руководством Амирa Х. Сафави-Наини впервые экспериментально зафиксировали квантовый прыжок в массивном механическом объекте. Ученые объединили фононный кристалл на основе тонкопленочного лития ниобата с сверхпроводящим кубитом: элементы были изготовлены отдельно и затем соединены методом переноса с точной адресацией. В результате получилась система, в которой фононный возбудитель и кубит взаимодействуют так, что число фононов может считываться неразрушающим образом, позволяя наблюдать момент скачка между квантовыми уровнями во времени. По данным исследования, опубликованного в Science, время жизни фонона в их конфигурации оказалась в сотни раз длиннее времени измерения, что позволило регистрировать отдельный прыжок в реальном времени.

Смысл эксперимента — не просто зафиксировать переходы между уровнями, а сделать это без разрушения самой совокупности энергии. В классическом измерении положение колеблющейся системы меняется плавно, а квантовые прыжки требуют QND-измерения числа фононов: именно этот параметр, а не положение, может показывать дискретность. В теории такие измерения обсуждали для механических систем, но практическая реализация стояла на стыке технологий — нужно было совместить долговечность фононов, сильную дисперсивную связь с нелинейным детектором и очень точные быстрые измерения. В основу решения легла идея связать механический резонатор с кубитом так, чтобы считывать число фононов, не разрушая их.

Конструкция включала одномерный фононный кристалл из тонкопленочного литий ниобата, подвешенный на пилонах над очень узким зазором 500 нм между островками кубита. Центральный блок кристалла образовал фононную зону в цепочке балок, действующую как акустические зеркала, что обеспечивает локализацию вибрации. За счет очень близкого пространства между элементами кубита и резонатора достигнута мощная пьезоэлектрическая связь; общая высота над кубитом составляет около 75 нм. Фактическое удерживание устройства обеспечивается силами Ван-дер-Ваальса, что минимизирует рассеяние и сохраняет когерентность.

После сборки исследователи измерили время жизни фонона в схеме и получили 2,1 миллисекунды. За одну такую длительность можно выполнить примерно 170 проверок четности. При этом кубит сохранял когерентность: время дефазировки составило 3,2 микросекунды, а время релаксации достигало 31 микросекунды. Эти цифры показывают, что система имеет достаточно длительный фононный угол жизни и хорошие характеристики кубита для повторных, непрерывных измерений.

Схема устроена так, что каждый фонон сдвигает частоту кубита на величину 2χ, что позволяет определить число фононов по частотному смещению. При этом сам оператор числа фононов не изменяется, поэтому измерение считается квантово неразрушающим. В серии опытов исследователи сначала протестировали схему, когда кубит находился в состоянии |g>, затем готовили состояние с одним фононом и получали, что после проверки четности кубит переходил в |e>. Поскольку среднее число фононов было невысоким (примерно 0,13), вероятность регистрации двух фононов была крайне мала, а повторные измерения — близки к нулю. По данным эксперимента, прыжки происходили с различной задержкой в разных траекториях, что согласуется со стохастической природой квантовых переходов; по каждому из трёх траекторий было выполнено около 294 последовательных проверок и отмечен резкий переход из n = 1 в n = 0.

Разрушение состояния происходило лишь в 0,013 случая на одну проверку, что подтверждает реальный характер неразрушающих измерений. По итогам экспериментов авторы отмечают перспективы для более сложных архитектур — в частности планируются dual-rail кубиты, где два резонатора размещаются на одном кубите и проводится совместная проверка четности для отслеживания ошибок. Также упоминается возможность применения созданной системы в сенсоре, например для масс-спектрометрии одиночных молекул.

Несмотря на то, что именно квантовые прыжки фононов фиксируют впервые, само поле квазийчастиц уже давно исследуют: китайские физики нашли топологические фононы в графене, японские учёные изучали хиральность фононов в киновари, а в железном гранате фононы возникают из магнонов.