Fizycy zarejestrowali kwantowe skoki w masywnym obiekcie mechanicznym
- Fizycy po raz pierwszy zarejestrowali skoki kwantowe w dużym obiekcie mechanicznym
- Eksperyment połączył kryształ fononowy i nadprzewodzący kubit
- Pomiary przeprowadzono poprzez sprawdzenie parzystości liczby fononów
- Wyniki opublikowano w czasopiśmie Science
W niedawnym eksperymencie międzynarodowy zespół fizyków zdołał zarejestrować kwantowe skoki w masywnym obiekcie mechanicznym, co stało się pierwszym potwierdzeniem teoretycznych przewidywań dotyczących dyskretnych przejść energii w makroskopowych systemach.
Od teorii do praktyki
Pojęcie kwantowego skoku pojawiło się już na początku XX wieku, kiedy naukowcy zrozumieli, że mikroskopijne cząstki mogą przechodzić między poziomami energetycznymi bez stanów pośrednich. Do niedawna takie zjawiska obserwowano jedynie w atomach, jonach i pojedynczych bitach kwantowych, jednak ich manifestacja w większym obiekcie pozostawała niedostępna.
Aby stworzyć odpowiednią platformę, badacze wykorzystali kryształ fononowy – sztucznie zbudowaną strukturę, zdolną kierować i kontrolować drgania dźwiękowe (fonony) na nanometrowej skali. Taka siatka zapewniła wysoką izolację mechanicznej części rezonansowej od zewnętrznych szumów.
Kluczowym elementem eksperymentu stał się nadprzewodzący kubit, działający w temperaturach poniżej 20 mK. Kubit został zintegrowany bezpośrednio z fononowym kryształem, co umożliwiło przekazywanie kwantowego stanu między elektrycznymi a mechanicznymi podsystemami.
Metodyka pomiaru
Aby zarejestrować przejścia, naukowcy użyli sprawdzania parzystości liczby fononów – szczególnego sposobu, który pozwala określić, czy w systemie znajduje się parzysta czy nieparzysta liczba kwantów wibracji, nie mierząc ich bezpośrednio. Z pomocą kubita przeprowadzono serię szybkich pomiarów, po których uzyskane dane wykazały wyraźne zmiany parzystości, odpowiadające kwantowym skokom.
Otrzymane sygnały pokazują, że rezonator mechaniczny przechodzi między dyskretnymi poziomami energetycznymi, podobnie jak ma to miejsce w systemach atomowych. Te przejścia były obserwowane w czasie rzeczywistym, co potwierdza możliwość kontrolowania makroskopowych stanów kwantowych.
Sukces eksperymentu otwiera nowe perspektywy dla rozwoju hybrydowych urządzeń kwantowych, w których elementy mechaniczne mogą służyć jako długoterminowe pamięci kwantowe lub przetworniki sygnałów między różnymi typami systemów kwantowych.
Wyniki badania zostały przedstawione w wiodącym czasopiśmie naukowym Science, gdzie zyskały szerokie uznanie w społeczności fizyków. Autorzy planują dalsze poprawienie czułości pomiarów i rozszerzenie skali eksperymentu, co może prowadzić do praktycznego wykorzystania skoków kwantowych w technologiach przyszłości.
Źródło: N+1
