Физики зафиксировали квантовые скачки в массивном механическом объекте

• Фізики вперше зафіксували квантові стрибки в крупному механічному об'єкті
• Експеримент об'єднав фононний кристал і надпровідний кубіт
• Вимірювання проводилися через перевірку парності числа фононів
• Результати опубліковані в журналі Science

В недавньому експерименті міжнародна команда фізиків змогла зафіксувати квантові стрибки в масивному механічному об'єкті, що стало першим підтвердженням теоретичних прогнозів про дискретні переходи енергії в макроскопічних системах.

Від теорії до практики

Поняття квантового стрибка виникло ще на початку XX століття, коли вчені зрозуміли, що мікроскопічні частинки можуть переходити між енергетичними рівнями без проміжних станів. До недавніх років такі явища спостерігалися лише в атомах, іонах і окремих квантових бітах, однак їх прояв у більшому об'єкті залишався недоступним.

Для створення відповідної платформи дослідники використали фононний кристал – штучно побудовану структуру, здатну направляти і контролювати звукові коливання (фонони) на нанометровому масштабі. Така решітка забезпечила високу ізоляцію механічної резонансної частини від зовнішніх шумів.

Ключовим елементом експерименту став надпровідний кубіт, що працює при температурах нижче 20 мК. Кубіт був інтегрований безпосередньо з фононним кристалом, що дозволило передавати квантовий стан між електричною та механічною підсистемами.

Методика вимірювання

Для реєстрації переходів вчені використовували перевірку парності числа фононів – особливий спосіб, що дозволяє визначити, парна чи непарна кількість квантів вібрації знаходиться в системі, не вимірюючи їх безпосередньо. За допомогою кубіта була проведена серія швидких вимірювань, після чого отримані дані показали різкі зміни парності, що відповідають квантовим стрибкам.

Отримані сигнали демонструють, що механічний резонатор переходить між дискретними енергетичними рівнями, аналогічно тому, як це відбувається в атомних системах. Ці переходи спостерігалися в реальному часі, що підтверджує можливість контролю макроскопічних квантових станів.

Успіх експерименту відкриває нові перспективи для розробки гібридних квантових пристроїв, де механічні елементи можуть слугувати довготривалими квантовими пам'ятями або перетворювачами сигналів між різними типами квантових систем.

Результати дослідження були представлені в провідному науковому журналі Science, де вони отримали широке визнання в спільноті фізиків. Автори планують подальше покращення чутливості вимірювань і розширення масштабу експерименту, що може призвести до практичного використання квантових стрибків у технологіях майбутнього.

Джерело: N+1