物理学家记录了在大型机械对象中的量子跳跃

• Физики впервые зафиксировали квантовые скачки в крупном механическом объекте
• Эксперимент объединил фононный кристалл и сверхпроводящий кубит
• Измерения проводились через проверку чётности числа фононов
• Результаты опубликованы в журнале Science

В недавнем эксперименте международная команда физиков смогла зафиксировать квантовые скачки в массивном механическом объекте, что стало первым подтверждением теоретических предсказаний о дискретных переходах энергии в макроскопических системах.

От теории к практике

Понятие квантового прыжка возникло ещё в начале XX века, когда учёные поняли, что микроскопические частицы могут переходить между энергетическими уровнями без промежуточных состояний. До недавних лет такие явления наблюдались лишь в атомах, ионах и отдельных квантовых битах, однако их проявление в более крупном объекте оставалось недоступным.

Для создания подходящей платформы исследователи использовали фононный кристалл – искусственно построенную структуру, способную направлять и контролировать звуковые колебания (фононы) на нанометровом масштабе. Такая решётка обеспечила высокую изоляцию механической резонансной части от внешних шумов.

Ключевым элементом эксперимента стал сверхпроводящий кубит, работающий при температурах ниже 20 мК. Кубит был интегрирован непосредственно с фононным кристаллом, что позволило передавать квантовое состояние между электрическим и механическим подсистемами.

Методика измерения

Для регистрации переходов учёные использовали проверку чётности числа фононов – особый способ, позволяющий определить, чётное или нечётное количество квантов вибрации находится в системе, не измеряя их напрямую. С помощью кубита была проведена серия быстрых измерений, после чего полученные данные показали резкие изменения чётности, соответствующие квантовым скачкам.

Полученные сигналы демонстрируют, что механический резонатор переходит между дискретными энергетическими уровнями, аналогично тому, как это происходит в атомных системах. Эти переходы наблюдались в реальном времени, что подтверждает возможность контроля макроскопических квантовых состояний.

Успех эксперимента открывает новые перспективы для разработки гибридных квантовых устройств, где механические элементы могут служить долговременными квантовыми памятьми или преобразователями сигналов между различными типами квантовых систем.

Результаты исследования были представлены в ведущем научном журнале Science, где они получили широкое признание в сообществе физиков. Авторы планируют дальнейшее улучшение чувствительности измерений и расширение масштаба эксперимента, что может привести к практическому использованию квантовых прыжков в технологиях будущего.

来源：N+1