Физици уловиха квантов скок на звука в реално време

Група физици от Станфордския университет съобщи за първото директно наблюдение на квантов скок на звука — моментът, в който единичен фонон в микроскопичен механичен резонатор изчезва и системата пада от енергийно състояние 1 в състояние 0. Работата е публикувана на 17 септември в списание Science под заглавието „Quantum jumps of sound”, а екипът се води от Амир Сафави-Наеини, доцент по приложна физика. Първи автори са Такума Макихара и Ерик Шакиел.

Снимка: Erik Szakiel / Stanford University

Какво точно е фонон и защо скача

Звукът в твърдо тяло е съгласувано движение на много атоми. Квантовата механика казва, че тази вибрация не може да има произволна енергия — тя идва на порции. Най-малката порция се нарича фонон и по същия начин, по който фотонът е „квант светлина”, фононът е „квант звук”.

Следствието е, че резонаторът не затихва плавно, както затихва камертон на масата. Той стои в състояние с един фонон, а после в един конкретен момент прескача в нула. Няма междинно състояние с половин фонон. Точно този рязък преход теоретиците предсказват от началото на XX век, когато Нилс Бор въвежда дискретните енергийни нива в атома.

Наблюдавали са го обаче само в други системи: за първи път при уловени в капан йони през 1986 г., а при фотони — през 2007 г. Механичното движение остана последното голямо липсващо парче.

Двете милисекунди, които правят разликата

Проблемът с вибрациите е, че те се разпадат прекалено бързо. Ако фононът живее микросекунди, не можете да го измерите достатъчно често, за да видите кога точно е скочил — виждате само „преди беше, сега го няма”.

Затова централното постижение тук е самият резонатор. Устройството е нещо като камертон, смален до микроскопични размери, и „звъни” около две милисекунди. Числото звучи нищожно, но при тези честоти е огромно: според Станфорд еквивалентът при обикновен камертон би бил звънене с часове.

Тези две милисекунди дават достатъчно време за стотици последователни измервания. За детектор екипът използва свръхпроводящ кубит — електрическа верига, която може да съхранява квантова информация — свързан с резонатора така, че да отчита само дали в него има фонон, или не, без да разрушава състоянието при всяка проверка. Резултатът е запис на пълния разпад с достатъчна плътност от точки, че самият скок да се вижда като отделно събитие в реално време.

Трудното е било съчетаването на двете. „Трябваше непрекъснато да разработваме нови процеси, за да направим този изключително дълголетен вибриращ обект и после да го интегрираме с кубита, който е нашият малък електрически детектор — без да съсипем нито една от двете подсистеми”, казва Макихара, който наскоро защити докторат в Станфорд.

Защо това има значение отвъд лабораторията

Механичните резонатори отдавна са кандидат за квантова памет, защото акустичната вълна е около 100 000 пъти по-къса от електромагнитната при същата честота и заема много по-малко място на чипа. Точно този подход неотдавна демонстрира и екип от ETH Цюрих с чип, в който паметта са вибрации.

Способността да засечете кога състоянието се е променило, а не само че се е променило, е предпоставка за откриване и коригиране на грешки — ако знаете точния момент на загубата на фонон, можете да реагирате, вместо да изхвърлите цялото изчисление.

Втората посока е сензорика. Станфорд работи с Калифорнийския технологичен институт и групата на Майкъл Рукс по идеята същата чувствителност да се използва за разпознаване на отделни белтъци в клетка — маса, която променя честотата на резонатора с едва забележима величина.

„Видяхме, че вибриращи обекти могат да показват квантово поведение, което е предпоставка за много от операциите, нужни на квантовите изчисления и сензори”, казва Сафави-Наеини.

Какво още не знаем

Струва си да се държи мярка. Това е фундаментален резултат, не готова технология: демонстриран е контрол върху едно квантово ниво в едно устройство при криогенни условия. Пътят до работеща квантова памет на фонони минава през много резонатори, по-дълги времена на живот и интегриране в реален процесор.

Авторите споменават и по-практично приложение — филтрите и резонаторите в телефоните ви вече работят с акустични вълни, така че по-доброто разбиране на загубите в тях може да се отрази и на масовата електроника. Това обаче е перспектива за години, не за следващия модел.

Заключение

Сто и повече години след като Бор постулира дискретните енергийни нива, квантовият скок е видян и при звука. Наблюдението не променя физиката — тя предсказваше точно това — но затваря един празен ред в таблицата и, по-важното, доказва че механичните системи вече са достатъчно тихи и дълголетни, за да се работи с единични кванти в тях. Пълният текст на съобщението можете да прочетете и на nauka.bg.