Квантовые скачки — внезапные переходы из одного энергетического состояния в другое — теоретически предсказывались с начала 1900-х годов; ученые впервые показали их на ионах в 1986 году, а позже на фотонах в 2007-м. Наблюдение квантовых скачков звука оставалось неуловимым, но команде под руководством физика Амира Сафави-Наини это удалось.

«То, что показывает это исследование, позволит нам двигаться вперед в разработке новых квантовых технологий со звуком, — сказал он. — Мы увидели, что вибрирующие объекты могут демонстрировать квантовое поведение, а это предпосылка для многих операций, необходимых квантовым вычислениям и сенсорике».

Для проведения исследования был изготовлен крошечный механический резонатор. Действуя отчасти как что множество резонаторов можно уместить на одном чипе для выполнения сложных функций. Микроскопический камертон, резонатор может вибрировать две миллисекунды. Для сравнения: если бы обычный камертон обладал такой же способностью, он звенел бы несколько часов. Длительное время затухания позволило ученым сделать сотни измерений, чтобы определить момент, когда вибрация исчезает и звук совершает скачок — переход из энергетического состояния 1 в 0.

Для проведения эксперимента исследователям пришлось преодолеть насущную проблему квантовой инженерии: как извлечь сигнал из квантовой системы, не возмутив ее состояние. Они разработали способ объединения микроскопического механического резонатора со сверхпроводящим кубитом — электрической схемой, способной хранить квантовую информацию и служить детектором.

«Нам приходилось постоянно разрабатывать новые процессы, чтобы создать этот чрезвычайно долгоживущий вибрирующий объект, а затем интегрировать его с кубитом — нашим маленьким электрическим детектором — не разрушив ни одну из подсистем», — сказал Такума Макихара, один из исследователей. Кубит считывает, что происходит в механическом резонаторе, по сути проверяя снова и снова в течение двух миллисекунд вибрации, находится ли фонон внутри на энергетическом уровне 1 или 0. Именно так исследователи могут зафиксировать момент квантового скачка.

Способность обнаруживать квантовые скачки звука может привести к ряду научных открытий. Например, решить проблему коррекции ошибок в квантовых вычислениях. Сочетание механического резонатора и кубита может также использоваться для сверхточного зондирования. Выиграть могут и повседневные технологии, пишет EurekAlert.

Темпоральные кристаллы, или кристаллы времени — необычная физическая система со сдвигом во времени. Прежде она наблюдалась в основном на квантовом уровне. Однако в начале года ученые из США сумели заставить две миллиметровые частицы, левитирующие в акустическом поле, войти в устойчивый самоподдерживающийся режим колебаний без квантовых эффектов.