Звук на квантовом уровне впервые удалось поймать в тот самый момент, когда отдельный фонон исчезает из механического резонатора. Физики Стэнфордского университета в реальном времени проследили переход системы из состояния с одним квантом колебаний в состояние без него. Вместо привычного плавного затухания энергия совершила резкий квантовый скачок.
Фонон нельзя представить как крошечную частицу обычного слышимого звука. Физики называют так квант коллективного движения атомов в материале. Энергия такого колебания принимает строго определённые значения, поэтому переход между уровнями происходит дискретно. Квантовые свойства фононов демонстрировали и раньше, но отдельный скачок во время жизни резонатора напрямую отследить не удавалось.
Команда связала микроскопический резонатор из ниобата лития со сверхпроводящим трансмоном. Такой кубит работал как детектор и реагировал на число фононов внутри резонатора. Частота механической моды составляла около 3,277 ГГц, а эффективная масса резонатора не превышала 0,2 пикограмма.
Главным преимуществом установки стало необычно долгое время жизни механического возбуждения. Без частого считывания резонатор сохранял энергию около 2,1 мс. Кубит мог проверять состояние примерно каждые 12 мкс, причём отдельное измерение сохраняло число фононов примерно в 99% случаев. Частые проверки всё же влияли на систему и сокращали эффективное время жизни до 649 мкс.
Физики не фотографировали фонон и не наблюдали его исчезновение напрямую. Последовательность измерений позволяла восстановить наиболее вероятное состояние резонатора в каждый момент времени. Распределение найденных скачков дало время жизни 645 ± 29 мкс, практически совпавшее с независимым измерением. Благодаря такому подходу команда смогла указать момент перехода от одного фонона к нулю внутри отдельной квантовой траектории.
Возможность отслеживать скачки фононов интересна прежде всего для квантовых вычислений, где внезапный переход между состояниями может означать ошибку. Если система замечает момент сбоя, появляется шанс быстрее запустить коррекцию. Высокая чувствительность резонатора также пригодна для квантовых сенсоров. Стэнфордская команда уже изучает платформу для поиска белков внутри клеток.
Фононы постепенно превращаются из объекта фундаментальной физики в рабочий инструмент квантовых устройств. В августе инженеры Гарварда заставили звуковые колебания защищать квантовую память от шума и более чем втрое увеличили время когерентности спинового кубита.
Другой перспективный путь связывает механические колебания с фотоникой. Физики уже научились запутывать свет и звук, объединяя фотоны и фононы в одной квантовой системе. Возможность теперь наблюдать отдельные переходы фононов добавляет к таким схемам ещё один инструмент контроля.
