Квантовый скачок — это внезапный переход системы из одного энергетического состояния в другое. Источник: Стэнфордский университет

Ученые из Стэнфордского университета (признан нежелательной организацией в России) впервые напрямую наблюдали квантовые скачки звука в механическом резонаторе. Работа завершает более чем столетнюю историю исследований таких переходов. Исследование опубликовано в журнале Science.

Квантовый скачок — это внезапный переход системы из одного энергетического состояния в другое. Раньше его наблюдали у ионов и фотонов, но для звука это долго не удавалось. Звук на квантовом уровне описывается фононом — согласованным движением большой группы атомов.

Для эксперимента специалисты создали микроскопический механический резонатор. Он может вибрировать две миллисекунды, что очень много для такого устройства. Долгое время затухания позволило снять сотни показаний и точно определить момент, когда энергия колебаний скачком переходила из состояния 1 в 0. 

Главная проблема состояла в том, чтобы получить сигнал и при этом не разрушить хрупкое квантовое состояние. Источник: Unsplash

Главная сложность была в том, чтобы считать сигнал, не нарушив хрупкое квантовое состояние. Резонатор объединили со сверхпроводящим кубитом — электрической схемой, которая хранит квантовую информацию и работает как детектор. Кубит постоянно проверял, есть ли фонон в резонаторе, и фиксировал скачок.

Такая платформа может помочь в квантовых вычислениях, где скачок часто означает ошибку. Если научиться вовремя его замечать, это станет важным шагом к исправлению ошибок. Кроме того, высокая чувствительность системы пригодится для точной сенсорики, например для поиска белков внутри клеток.

В перспективе работа дает очень точный контроль над звуком. Это может улучшить смартфоны и другие устройства, где звук используется как основа технологии.