ЗВУК ПОЙМАН НА ПРЫЖКАХ — ПО ОДНОМУ КВАНТУ

Дёрните гитарную струну — и звук плавно стихнет. Однако квантовая механика предсказывает, что энергия любого колеблющегося объекта приходит дискретными порциями — фононами, квантами звука. Загвоздка в том, что их не увидеть, наблюдая за движением объекта. Измерение положения всегда показывает лишь плавное экспоненциальное затухание — в точности как у классического осциллятора.

Чтобы выявить порции, нужно измерять саму энергию, причём не возмущая её: это так называемое квантовое неразрушающее измерение (quantum non-demolition). Такие скачки между уровнями энергии впервые наблюдали у одиночных захваченных ионов, затем у частиц света, запертых в резонаторах. Команда Стэнфордского университета и SLAC под руководством Амира Сафави-Наини теперь сделала это для колеблющегося объекта.

Кристалл, парящий над кубитом

Колеблющийся объект — крошечный брусок ниобата лития, кристалла, превращающего колебания в электрическое напряжение. Он находится в центре фигурной балки, периодические отверстия которой работают как акустические зеркала и запирают колебания внутри. Его эффективная масса — около 0,2 пикограмма, то есть пятая часть триллионной доли грамма.

Детектор — сверхпроводящий кубит, такой же тип схемы, что используется в квантовых компьютерах. Обе части изготавливают по отдельности, затем прецизионная машина для соединения «впечатывает» кристалл поверх кубита так, что брусок парит всего в 75 нанометрах над ним.

Связь работает так: каждый фонон в бруске сдвигает частоту кубита на 328 килогерц. Если правильно подобрать время короткой последовательности импульсов, кубит оказывается в одном состоянии при чётном числе фононов и в другом — при нечётном. Поскольку на практике брусок содержит не больше одного фонона, всё сводится к простому вопросу: ноль или один? Каждая проверка занимает около 12 микросекунд.

Скачки

Сначала команда научилась распознавать одиночный фонон. Отдельная проверка верна лишь примерно в 68% случаев, поэтому её повторяют: после шести ответов «один фонон» подряд брусок содержит ровно один фонон с вероятностью 85%.

Затем исследователи продолжали спрашивать — 294 раза подряд. Уже сырые ответы показывают это невооружённым глазом: длинный участок, где преобладает «один», затем резкий переход к преобладанию «ноль». Брусок не растерял энергию постепенно; он потерял свой единственный фонон одним скачком, в случайный момент, разный от запуска к запуску. Моменты этих скачков подчиняются экспоненциальному закону — признаку спонтанного процесса без памяти.

Цифры, которые делают это возможным

Фонон живёт в этом бруске 2,1 миллисекунды — по словам авторов, исключительно долго для такого типа резонаторов на гигагерцевых частотах. Они объясняют это двумя решениями: резонатора не касается никакой металл, а его верхняя поверхность ни разу не подвергается воздействию ионного пучка, которым его вытравливают.
Это оставляет место для примерно 170 проверок за время жизни одного фонона.
Каждая проверка оставляет фонон нетронутым примерно в 99% случаев. Это небольшое возмущение сокращает жизнь фонона примерно до 0,65 миллисекунды, пока за ним наблюдают.
Сводный показатель качества, называемый кооперативностью, превышает 3 миллиона — авторы называют это десятикратным превосходством над другими платформами квантовой акустики.

К квантовым битам из звука

Следующий шаг авторов — «двухрельсовый» (dual-rail) квантовый бит из двух механических резонаторов, разделяющих один кубит, в котором потеря фонона становится обнаружимой ошибкой. Их техника «впечатывания» позволяет разместить несколько резонаторов на одном чипе. Они также указывают на датчики: объект такой лёгкий и так долго колеблющийся — именно то, что нужно, чтобы взвесить одну молекулу.

Пока у измерения есть ограничения: отдельная проверка далека от совершенства и не может отличить ноль фононов от двух. Двое из авторов — Amazon Scholars, а Amazon Web Services участвовала в финансировании работы.

Квантовые скачки уже наблюдали в атомах, в свете и — благодаря этому эксперименту — в звуке.