Звук кажется нам непрерывным. Если ударить по камертону или колоколу, его звучание постепенно становится всё тише, пока окончательно не исчезает. Но на квантовом уровне всё происходит иначе: энергия вибрации уменьшается отдельными порциями.

Физикам Стэнфордского университета впервые удалось непосредственно увидеть такой скачок в реальном времени. В эксперименте последний квант механической вибрации не становился всё слабее и слабее, а в определённый момент просто исчезал: система переходила из состояния с одним квантом энергии в состояние без него.

Результаты работы опубликованы в журнале Science.

Звук исчез не постепенно

Квант механической вибрации физики называют фононом. Это не частица в привычном смысле, а коллективное движение множества атомов внутри материала.

Квантовая механика давно предсказывает, что энергия таких вибраций должна существовать отдельными порциями. Однако непосредственно наблюдать, как отдельный фонон перескакивает с одного энергетического уровня на другой, до сих пор не удавалось.

Исследователи создали крошечный механический резонатор — своего рода микроскопический аналог камертона. Затем они подготовили его так, чтобы внутри оставался всего один фонон.

После этого учёные многократно измеряли состояние системы. Некоторое время фонон оставался на месте, а затем практически мгновенно происходил переход:

1 → 0.

Последний квант вибрации исчезал.

По словам исследователей, именно такая резкая граница и является одним из наиболее наглядных проявлений квантовой природы механического движения.

За вибрацией следили сотни раз за две миллисекунды

Главная сложность подобных экспериментов заключается в самом измерении. Квантовые состояния чрезвычайно чувствительны, и попытка узнать, что с ними происходит, часто сама их разрушает.

Команда решила эту проблему, связав наномеханический резонатор со сверхпроводящим кубитом — электрической схемой, способной работать с квантовой информацией.

Кубит использовали как детектор. Он снова и снова проверял, находится ли резонатор в состоянии с одним фононом или уже перешёл в основное состояние.

Резонатор мог сохранять вибрацию около 2,1 миллисекунды. Для квантового механического устройства это достаточно долго, чтобы успеть провести сотни измерений и определить момент скачка.

Исследователям удалось подготавливать состояние с одним фононом с точностью около 85%.

В Стэнфордском университете сравнили установку с обычным камертоном: если бы большой камертон обладал таким же относительным временем затухания, он продолжал бы звучать несколько часов.

Почему этого раньше не видели

Квантовые скачки сами по себе известны физикам больше века. Их уже наблюдали у отдельных ионов и фотонов — квантов света.

С механическими вибрациями оказалось сложнее. Если просто измерять движение объекта — например, насколько сильно он колеблется, — увидеть отдельные энергетические уровни практически невозможно.

В новой работе физики измеряли не положение резонатора, а непосредственно количество энергии в нём. Благодаря этому удалось различить состояния с одним и нулём фононов и проследить переход между ними.

Авторы называют результат прямым наблюдением квантового поведения относительно массивного вибрирующего объекта: фонон представляет собой согласованное движение сразу большого числа атомов.

Это может помочь квантовым компьютерам

Пока речь идёт прежде всего о фундаментальном эксперименте. Однако способность постоянно следить за отдельными квантами вибрации может пригодиться при создании квантовых устройств.

Одно из возможных применений — исправление ошибок в квантовых компьютерах. Квантовые состояния легко разрушаются, а неожиданный переход с одного уровня энергии на другой может означать ошибку.

Если такие скачки удастся быстро обнаруживать, система потенциально сможет реагировать на них ещё во время вычислений.

Другим направлением могут стать сверхчувствительные датчики. Команда уже изучает возможность использования подобных механических систем для обнаружения отдельных биологических объектов, включая белки внутри клеток.