В журнале Science опубликованы итоги опыта, в котором физики впервые проследили квантовый скачок массивного механического объекта. Работу выполнила группа Шэннон Харви из Национальной ускорительной лаборатории SLAC. О результатах сообщил N + 1. Об этом пишет портал Togliatti24.
В квантовой механике энергия колебаний связанных систем дискретна. У молекул и ионов в ловушках это наблюдают давно, а для механических резонаторов эффект должен сохраняться. Однако при слежении за положением дискретность исчезает: усредненная координата убывает плавно, словно у классического маятника. Причина — соотношение неопределенностей. Измерение позиции меняет импульс, возмущение стирает сведения об энергии, и уровни остаются скрытыми. Чтобы увидеть дискретность механической энергии, требуется квантовое неразрушающее (QND) измерение самой энергии. Гармонический осциллятор связывают с нелинейной системой, которая считает фононы, не уничтожая их.
Идею квантовых прыжков предложил Нильс Бор для объяснения линейчатых спектров атомов. Сначала такие переходы удалось увидеть у одиночных ионов, затем в электромагнитных резонаторах, где работал нелинейный детектор числа фотонов. Для механических систем все оставалось теорией: схемы QND-измерений предлагали, но реализовать не могли. Трудность состояла в том, что одновременно нужны долгая жизнь фононов, сильная дисперсивная связь с нелинейным детектором и быстрые точные измерения. Главным техническим препятствием стала интеграция пьезоэлектрика со сверхпроводящими цепями.
Харви и коллеги изготовили механическую систему и сверхпроводящий кубит по отдельности, а потом соединили их переносом с выравниванием. Время жизни фонона превысило время измерения в сотни раз, поэтому удалось отследить отдельный прыжок в реальном времени. Резонатором служил одномерный фононный кристалл из тонкопленочного ниобата лития. Центральный блок висел на периодических балках, которые играли роль акустических зеркал: чередование балок и промежутков возвращало акустическую волну назад. Так возникала фононная запрещенная зона — диапазон, где колебания не проходят через подвес и фононы не утекают в подложку. Кубит имел зазор 500 нанометров между островками, работал как конденсатор и собирал электрическое поле в малом объеме. Кристалл разместили прямо над зазором на пилонах из ниобата лития, подвесив резонатор всего в 75 нанометрах над кубитом. Конструкцию удерживали силы Ван-дер-Ваальса, а пилоны обеспечивали жесткую фиксацию.
После сборки измеренное время жизни фонона составило 2,1 миллисекунды. За этот срок можно было сделать примерно 170 проверок четности. Кубит сохранял когерентность: дефазировка заняла 3,2 микросекунды, релаксация — 31 микросекунду. Кубит и резонатор имели разные частоты и напрямую энергией не обменивались. Каждый фонон сдвигал частоту кубита на 2χ, и по этому сдвигу определяли число фононов. Оператор числа фононов не менялся, поэтому измерение оставалось QND. Сначала авторы проверили метод при состоянии кубита ∣g⟩ и сопоставили данные со спектрометрией. Затем готовили состояние с одним фононом, при котором после проверки четности кубит оказывался в ∣e⟩. Вероятность обнаружить фонон составляла 0,13, поэтому два фонона регистрировались крайне редко, а при повторных измерениях почти никогда. Проверка четности показывала, четное состояние (0 фононов) или нечетное (1 фонон). Физики выполнили по 294 последовательные проверки в трех траекториях резонатора и увидели резкий переход из n = 1 в n = 0. Классический осциллятор дал бы плавное изменение статистики, здесь же смена была резкой. Байесовская оценка показала: в каждой траектории прыжок происходил в свое время, что отвечает стохастической природе квантовых переходов. Разрушение состояния фиксировали лишь в 0,013 случая на проверку — подтверждение QND-режима. В дальнейшем команда планирует собрать dual-rail-кубиты: два резонатора на одном кубите и совместные измерения четности для отслеживания ошибок. Система может пригодиться в сенсорике, например для масс-спектрометрии одиночных молекул. Хотя квантовые прыжки фононов изучают впервые, другие свойства этих квазичастиц известны давно. Китайские физики находили топологические фононы в графене, японская группа исследовала хиральность фононов в киновари, а в железном гранате фононы возникают из магнонов.