Звук затухает рывками!

Ударьте по колоколу — и звон будет стихать плавно, без всяких ступенек. Так это выглядит для нас. Но на квантовом уровне звук теряет энергию порциями, скачками. Физики из Стэнфорда впервые поймали такой скачок в реальном времени — в тот самый момент, когда он происходит.

Чтобы оценить масштаб, нужна история. Идею квантовых скачков — внезапных переходов системы из одного энергетического состояния в другое, предложил Нильс Бор ещё в 1913 году. Увидеть их удалось только в 1986-м, на ионах в ловушке, а в 2007-м — на фотонах, частицах света. Теперь команда физика Амира Сафави-Наини добралась до фононов. Фонон — это минимальная порция звука, примерно как фотон для света.

Как это сделали? Учёные построили механический резонатор в масштабе компьютерных чипов — настолько маленький, что на одном чипе помещается сразу несколько штук. По сути, это крошечный камертон: по нему «ударяют», и он звенит. Звенит всего две миллисекунды, но для такого масштаба это очень долго — примерно как если бы обычный камертон гудел часами. За это время исследователи успевают сделать сотни замеров и точно засечь момент, когда колебания перескакивают из состояния «1» в состояние «0».

Есть и загвоздка: квантовое состояние очень хрупкое, и его легко нарушить самим измерением. Поэтому резонатор соединили со сверхпроводящим кубитом — он работает датчиком и сообщает, когда именно случился скачок.

«Мы увидели, что вибрирующие объекты могут вести себя квантово, а это необходимое условие для многих операций в квантовых вычислениях и сенсорике», — объясняет Сафави-Наини.

Чем это интересно на практике? Возьмём квантовые компьютеры. Их хрупкие состояния сбиваются раньше, чем закончатся вычисления, и такие скачки как раз считаются ошибками. Проблема в том, что понять, когда именно ошибка произошла, до сих пор было сложно. Умение ловить скачки в реальном времени может это изменить.

Второе направление — точные датчики. Связку «резонатор + кубит» команда уже пробует вместе с коллегами из Калтеха, чтобы обнаруживать и распознавать белки в клетках. А раз звук и вибрации работают в массе современных устройств, включая смартфоны, новые применения со временем могут появиться и там.

@vselennayaplus