Физики впервые проследили в реальном времени, как механический резонатор теряет ровно один квант колебательной энергии. Вместо плавного затухания прибор зафиксировал резкий переход от состояния с одним фононом к состоянию без него. Результаты наблюдений опубликованы в Science и дают экспериментаторам новый способ следить за отдельными квантовыми событиями внутри механических устройств.
В привычном мире звук затихает непрерывно. Если ударить по камертону, амплитуда его колебаний постепенно уменьшается, пока движение не станет незаметным. На квантовом уровне картина другая. Энергия механического колебания разделена на отдельные порции, а минимальную такую порцию называют фононом. Фонон не стоит представлять крошечной звуковой частицей, летящей внутри материала. Так физики описывают квант коллективного движения множества атомов.
Для эксперимента исследователи изготовили микроскопический механический резонатор методами, похожими на производство микросхем. Прибор работает как очень маленький камертон, но сохраняет колебание около двух миллисекунд. Для объекта такого размера срок необычно велик: по сравнению авторов, обычный камертон с аналогичным качеством колебаний продолжал бы звучать несколько часов.
Долгое затухание дало системе достаточно времени для сотен последовательных измерений. Рядом с резонатором разместили сверхпроводящий кубит, электрическую квантовую схему, которая в данном случае служила чувствительным детектором. Кубит снова и снова проверял, находится ли механическое колебание на уровне с одним фононом или уже перешло в основное состояние. Последовательность измерений позволила увидеть конкретный момент перехода 1 → 0.
Именно возможность многократно заглядывать в квантовую систему стала главной технической сложностью. Обычное измерение легко разрушает хрупкое состояние, поэтому одного чувствительного детектора недостаточно. Авторам пришлось одновременно увеличить время жизни механического колебания и связать резонатор с электрической схемой так, чтобы считывание не уничтожало наблюдаемое состояние после первой проверки.
Квантовые скачки сами по себе физикам известны давно. Переходы между дискретными состояниями отдельных захваченных ионов экспериментально наблюдали в 1986 году. В 2007 году исследователи смогли проследить рождение и исчезновение отдельных фотонов, многократно измеряя свет в резонаторе без немедленного поглощения фотона. Для механического движения аналогичный эксперимент оказался значительно сложнее, поскольку фонон связан с коллективным движением большого числа атомов твёрдого тела.
Наблюдаемый скачок не означает, что привычный звук внезапно обрывается посреди комнаты. Эксперимент работает с одним квантованным режимом микроскопического резонатора. При потере энергии число фононов в таком режиме меняется целыми значениями, поэтому последний квант не становится всё слабее и слабее, а система переходит с уровня 1 на уровень 0. Новая установка позволила увидеть отдельную траекторию такого перехода во времени, а не только восстановить его свойства по усреднённым измерениям.
Авторы связывают метод прежде всего с будущими квантовыми устройствами. В некоторых архитектурах неожиданный переход между энергетическими состояниями служит признаком ошибки, поэтому способность замечать подобные события во время работы может пригодиться для коррекции ошибок. Микроскопические механические резонаторы также рассматривают как элементы квантовой памяти, каналы передачи информации между различными компонентами и основу особо чувствительных датчиков.
Исследователи отдельно изучают возможность использовать связку резонатора и кубита для регистрации очень слабых физических воздействий, вплоть до обнаружения и различения отдельных белков в клетках. Авторы допускают и более далёкие применения в устройствах, где работа зависит от акустических колебаний. Практических датчиков или новых компонентов для смартфонов эксперимент пока не демонстрирует. Главный результат фундаментальнее: механический объект удалось контролировать достаточно точно, чтобы наблюдать потерю единственного кванта его движения по мере происходящего процесса.
