Звук дискретен: физики впервые зафиксировали квантовый скачок в реальном времени
Звук в твердом теле не затухает плавно. Он обрывается мгновенно. Группа физиков из Стэнфордского университета под руководством профессора Амира Сафави-Наэини впервые в истории науки напрямую зафиксировала квантовый скачок механических колебаний — момент, когда энергия вибрации кремниевой пластины, состоящей из миллиардов атомов, упала до нуля в один неделимый миг. Результаты, опубликованные в журнале Science, закрывают исследовательский цикл длиной более ста лет.
Идея о том, что энергия в микромире передается порциями, а переходы между уровнями происходят скачкообразно, восходит к модели атома Нильса Бора 1913 года. Электрон, перескакивая с орбиты на орбиту, мгновенно излучает или поглощает квант энергии. Десятилетиями физики спорили: это физическая реальность или математическая абстракция? Первый прямой ответ удалось получить лишь в 1986 году — на одиночных ионах в электромагнитных ловушках. В 2007-м то же самое подтвердили для фотонов.
Звук оставался последним рубежом. Причина — в фундаментальной разнице между светом и звуком. Фотон — самостоятельная частица, способная лететь через вакуум. Фонон, квант механических колебаний, — это согласованное движение триллионов атомов кристаллической решетки. Изолировать такую систему от малейших тепловых помех и шумов почти невозможно: любой посторонний толчок мгновенно заглушает квантовые эффекты.
Чтобы увидеть скачок, стэнфордская группа выполнила два жестких условия. Первое — охладила механический микрорезонатор, кремниевую пластину, изготовленную методами фотолитографии, до температур порядка десятых долей милликельвина. Второе — возбудила в ней ровно один фонон, то есть перевела систему на первый возбужденный энергетический уровень. Инженеры модифицировали геометрию резонатора и его изоляцию от подложки чипа, добившись рекордной добротности: колебания сохранялись две миллисекунды. Для квантовой механики это огромный срок, за который регистрирующая аппаратура успевает провести сотни измерений подряд.
Сложность заключалась в считывании. Классические методы вроде отражения лазерного луча здесь не работают: свет передает кристаллу фотоны, нагревает кремний и разрушает одиночный фонон. Соавторы работы Такума Макихара и Эрик Шакель использовали сверхпроводящий кубит — миниатюрную алюминиево-кремниевую схему, работающую при сверхнизких температурах без сопротивления. Кубит разместили в нескольких нанометрах от резонатора. Прямого контакта не было: связь осуществлялась через электростатическое поле. Когда пластина вибрировала, менялась электрическая емкость зазора, а это вызывало микроскопический сдвиг частоты тока внутри кубита. Прибор считывал только фазу и частоту собственного сигнала, не поглощая энергию резонатора и не передавая ему свою. Такой метод относится к квантово-неразрушающим измерениям.
В ходе эксперимента кубит непрерывно опрашивал систему с интервалом в доли микросекунды. Пока в резонаторе удерживался один фонон, приборы стабильно показывали единицу. Затем в случайный момент, не вызванный никаким внешним сигналом, показания мгновенно сменились на ноль. Никаких промежуточных значений — половинной или четверти кванта — зафиксировано не было. Энергия колебания огромного ансамбля атомов исчезла в один неделимый момент.
Практические следствия этого результата выходят далеко за пределы проверки уравнений вековой давности. Прежде всего речь идет о квантовых вычислениях. Главное препятствие на пути к масштабируемым квантовым компьютерам — нестабильность кубитов: внешние шумы вызывают спонтанные скачки энергии, переводящие систему из расчетного состояния в основное, что порождает фатальные ошибки. До сих пор момент и причину такого сбоя было почти невозможно локализовать. Стэнфордская установка позволяет регистрировать квантовые скачки и привязывать их ко времени. Понимание механики рассеивания энергии внутри твердотельного чипа — первый шаг к архитектурам с активным подавлением ошибок.
Второе направление — прецизионное взвешивание. Частота колебаний резонатора строго зависит от его массы: любая посторонняя частица на пластине сдвигает резонанс вниз. Резонатор доведен до квантового предела чувствительности, и совместно с лабораторией профессора Майкла Роукса из Калифорнийского технологического института уже начата разработка сенсорной платформы для анализа единичных белковых молекул. Оседая на чувствительную площадку, белок изменит квантовые параметры колебаний, что позволит определить его молекулярную массу и форму с точностью, недостижимой для традиционной масс-спектрометрии.
Третье — радиочастотная акустика. Звук в твердом теле распространяется примерно в сто тысяч раз медленнее света, поэтому длина акустической волны на заданной частоте в сотни тысяч раз меньше длины радиоволны. На этом свойстве держится вся современная беспроводная связь: в каждом смартфоне стоят десятки микроэлектромеханических фильтров на поверхностных и объемных акустических волнах. Управление звуком на уровне одиночных фононов открывает путь к компонентам нового поколения, способным задерживать и сохранять информацию внутри микроструктуры — потенциальным ячейкам квантовой памяти, связывающим электронные микросхемы с волоконно-оптическими каналами.
Долгое время считалось, что квантовые правила — квантование энергии, суперпозиция, мгновенные скачки — применимы лишь к изолированным атомам и фотонам, тогда как твердые тела подчиняются гладким законам ньютоновской механики. Эксперимент Сафави-Наэини показал, что это разделение искусственно. Кремниевый резонатор из миллиардов атомов, видимый в обычный оптический микроскоп, в условиях сверхнизких температур ведет себя как единичная квантовая система. Звук дискретен. И теперь это не теоретическое утверждение, а измеренный факт.
