Дослідники Стенфордського університету вперше спостерігали квантові стрибки звуку в механічному резонаторі, знаменуючи останню віху в більш ніж столітньому дослідженні квантової фізики.
Квантові стрибки – раптові переходи від одного енергетичного стану до іншого – були частиною квантової теорії з початку 1900-х років. Дослідники вперше продемонстрували їх у захоплених іонах у 1986 році, а потім у фотонах, основних частинках світла, у 2007 році. Але звук залишався більш складною мішенню. Команда під керівництвом фізика зі Стенфордського університету Аміра Сафаві-Наїні зараз записала ці стрибки в реальному часі, а результати опубліковані в Наука.
«Те, що показує це дослідження, дозволяє нам рухатися вперед у розробці нових квантових технологій зі звуком», — сказав Сафаві-Наїні, доцент кафедри прикладної фізики Стенфордської школи гуманітарних наук і наук. «Ми побачили, що вібруючі об’єкти можуть проявляти квантову поведінку, що є передумовою для багатьох операцій, необхідних для квантових обчислень і зондування».
Механічний перегляд квантового звуку
Найменшою дискретною одиницею світла є фотон. Квантовим еквівалентом звуку є фонон, який представляє скоординований рух багатьох атомів.
У повсякденному житті вібрація легко згасає. Наприклад, дзвін поступово стає тихішим, поки не зникне звук. У квантовому масштабі картина зовсім інша. Енергія коливань резонатора змінюється дискретними кроками, а не безперервно, подібно до поведінки, яка раніше спостерігалася для іонів і фотонів.
Попередні експерименти довели, що звук може проходити через ці переходи. Нове дослідження продовжується прямим відстеженням окремих фононів, коли вони здійснюють квантові стрибки в реальному часі.
Мікроскопічний резонатор з незвичайно довгим кільцем
Механічний резонатор, який використовувався в експерименті, був виготовлений за допомогою технології виробництва мікросхем. Його невеликий розмір означає, що багато таких резонаторів потенційно можуть бути розміщені на одному чіпі для виконання складних завдань.
Важливою особливістю було те, як довго пристрій міг продовжувати вібрувати. Резонатор діє як мікроскопічна лійка і може коливатися протягом двох мілісекунд. Якщо каблучка нормального розміру має таку ж відносну здатність витримувати вібрацію, вона дзвонитиме кілька годин.
Цей незвичайний «кільковий час» дав дослідникам достатньо часу, щоб зібрати сотні вимірювань. Ці повторювані зчитування дозволили їм визначити момент, коли вібрація зникла і звук перейшов з енергетичного стану 1 до 0.
Вимірювання крихкого квантового стану
Експеримент також вимагав від дослідників вирішення давньої проблеми в квантовій інженерії: вимірювання того, що відбувається всередині квантової системи, не порушуючи крихкий стан, який вимірювався.
Такума Макіхара та Ерік Сакіель, перші автори дослідження, розробили метод з’єднання мікроскопічного механічного резонатора з надпровідним кубітом. Кубіт — це електрична схема, здатна зберігати квантову інформацію, і в цій установці також служив детектором.
«Ми повинні постійно розробляти нові процеси, щоб створити цей неймовірно довгоживучий коливальний об’єкт, а потім об’єднати його з кубітом, який є нашим крихітним електричним детектором, не порушуючи жодної з підсистем», — сказав Макіхара, доктор філософії Стенфордського університету.
Протягом двох мілісекунд вібрації кубіт неодноразово досліджує механічний резонатор і визначає, чи знаходиться фонон в енергетичному стані 1 або 0. Проводячи ці вимірювання знову і знову, дослідники можуть точно визначити, коли відбувається квантовий стрибок.
До квантових обчислень і надчутливих датчиків
Дослідники бачать цю роботу як ранній, але важливий крок до технологій, які використовують звук як квантову платформу.
Одним із потенційних застосувань є квантове виправлення помилок. Згодом квантові комп’ютери можуть вирішити певні складні проблеми, недоступні для звичайних комп’ютерів, але їхній квантовий стан надзвичайно крихкий. Помилки можуть виникнути до завершення обчислення.
У багатьох системах квантового обчислення квантовий стрибок може означати, що сталася помилка. Ці стрибки було важко виявити, тому можливість контролювати їх за допомогою шуму може стати важливим новим інструментом для виявлення та виправлення квантових помилок.
Комбінація механічного резонатора та кубіта також може стати чутливою вимірювальною платформою. Команда Сафаві-Наїні вже працює з групою фізика Майкла Рукса з Каліфорнійського технологічного інституту, щоб перевірити, чи можна використовувати систему для виявлення та ідентифікації білків у клітинах.
Кращий контроль звуку
Прорив може згодом мати застосування за межами спеціалізованих квантових технологій. Шум відіграє важливу роль у смартфонах та багатьох інших електронних пристроях, і все точніший контроль вібрації може допомогти запровадити нові покоління цих технологій, за словами Сакіеля, нинішнього докторанта лабораторії Safavi-Naini.
«Це показує, що ми можемо мати неймовірно точний контроль звуку, що може означати, що пристрої, які використовують звук як базову технологію, можуть бути набагато кращими», — сказав він.
Сафаві-Наїні також є членом Stanford Q-FARM і Bio-X.
Додатковими співавторами є Девід Шустер зі Стенфорду, професор Джоан Рейнхарт і професор прикладної фізики H&S; Шеннон Харві, науковець Національної лабораторії прискорення SLAC; Міхір Пендхаркар, науковець з фізичних досліджень колишньої докторантки прикладної фізики Едварда Л. Рейчел Грюнке-Фройденштайн; та Олівер Хічкок, Метью Максимович і Кейв Пезешкі, Ph.D. вчені.
Це дослідження підтримали Amazon Web Services Inc., Управління наукових досліджень ВПС, Управління військово-морських досліджень, Національний науковий фонд, Рада природничих наук та інженерії Канади та Міністерство оборони США.
Сафаві-Наїні та Шустер обидва вчені Amazon.
