Звук дискретен: физики впервые зафиксировали квантовый скачок в реальном времени

В классической механике движение считается непрерывным. Если привести твердое тело в состояние вибрации, амплитуда его колебаний будет уменьшаться постепенно. Энергия механического движения непрерывно переходит в тепловую энергию окружающей среды и рассеивается внутри кристаллической решетки самого материала. График такого затухания выглядит как плавная нисходящая линия, на которой нет резких перепадов.

Однако фундаментальная физика утверждает обратное. Согласно законам квантовой механики, энергия любого физического объекта распределяется строго определенными порциями — квантами. Любое изменение энергии в замкнутой системе происходит не плавно, а скачкообразно: система мгновенно перемещается с одного энергетического уровня на другой.

Группа физиков из Стэнфордского университета под руководством профессора Амира Сафави-Наэини впервые смогла экспериментально подтвердить это правило для механических колебаний твердого тела. Ученые напрямую зарегистрировали квантовый скачок звуковой волны в реальном времени, зафиксировав момент, когда энергия механической вибрации мгновенно упала до нуля.

Результаты этого эксперимента, опубликованные в журнале Science, завершают исследовательский цикл продолжительностью более ста лет и создают платформу для принципиально новых инженерных решений в вычислительной технике и сенсорике.

Столетие поисков: от квантовой теории к механике твердого тела

Идея о том, что энергетические переходы в природе происходят мгновенно и прерывисто, возникла в начале XX века. В 1913 году физик Нильс Бор опубликовал модель атома, в которой электроны могли обращаться вокруг ядра только по строго определенным орбитам. При переходе с одной орбиты на другую электрон должен был мгновенно излучать или поглощать квант энергии. Этот процесс назвали квантовым скачком.

В течение многих десятилетий ученые спорили о том, существует ли квантовый скачок физически, или это лишь математическая абстракция для описания вероятностей. Наблюдать это явление напрямую долгое время не позволял технический уровень приборов.

Первый экспериментальный прорыв произошел в 1986 году, когда физики зафиксировали квантовые скачки в одиночных ионах, удерживаемых электромагнитными ловушками. В 2007 году исследователи повторили этот результат для фотонов — элементарных частиц и квантов электромагнитного излучения.

Звук оставался последней неизведанной областью. Причина кроется в фундаментальном различии между светом и звуком:

• Свет состоит из фотонов. Фотон — это элементарная частица, которая не нуждается в материальной среде и может свободно перемещаться в полном вакууме. Наблюдать изолированный фотон сложно, но физически возможно, поскольку он представляет собой единичный квантовый объект.
• Звук представляет собой механическую волну. Это согласованное смещение атомов внутри вещества. Звук не может существовать в вакууме.

Квант механических колебаний называется фононом. Фонон — это неделимая порция энергии колебания кристаллической решетки. Но если фотон — это самостоятельная частица, то фонон представляет собой согласованное движение триллионов атомов, которые взаимодействуют друг с другом.

Поскольку в процесс механической вибрации вовлечено колоссальное количество материи, изолировать такую систему от внешнего мира крайне сложно. Любое постороннее тепловое воздействие или микроскопический шум вызывают хаотические колебания атомов, которые мгновенно заглушают квантовые эффекты. Поэтому до сих пор никому не удавалось зарегистрировать потерю единичного фонона непосредственно в момент этого события.

Физическая природа фонона: почему мы не замечаем квантования в повседневности

Когда человек ударяет по металлическому предмету, звуковая волна переносит гигантское количество энергии по меркам микромира. В этом процессе одновременно участвуют квадриллионы фононов. Энергия механического колебания действительно угасает квантовыми порциями, но каждая отдельная порция настолько мала, а их число настолько велико, что человеческие органы чувств и стандартные измерительные приборы воспринимают процесс как непрерывное и плавное затухание.

Если в системе содержится триллион квантов энергии, потеря одного кванта незаметна. Физический прибор фиксирует лишь усредненный статистический показатель.

Чтобы увидеть квантовое поведение механического движения, необходимо выполнить два жестких условия:

1. Полностью очистить систему от тепловых помех. Для этого исследуемый образец требуется охладить почти до абсолютного нуля — до температур порядка десятых долей милликельвина. В таких условиях тепловое движение атомов замирает, и система переходит в состояние покоя.
2. Возбудить в материале колебания настолько низкой интенсивности, чтобы в нем находился ровно один квант энергии — один фонон.

Только в этом случае механическая система будет находиться на первом возбужденном энергетическом уровне (состояние «1»). Если эта система отдаст свою энергию, произойдет квантовый скачок в основное состояние (состояние «0»), соответствующее полному отсутствию колебаний данной частоты.

Экспериментальная установка: микрорезонатор на кремниевом чипе

Для проведения эксперимента исследователи из Стэнфорда разработали механический микрорезонатор. Это микроскопическая кремниевая пластина, изготовленная методами фотолитографии — технологии, которая применяется в производстве компьютерных процессоров.

Хотя размеры резонатора микроскопичны, его можно без труда рассмотреть в стандартный оптический микроскоп. Он представляет собой вполне осязаемый физический объект, состоящий из миллиардов атомов кремния.

Главной задачей инженеров было увеличение времени затухания колебаний. В квантовой акустике подавляющее большинство микроструктур теряет механическую энергию за наносекунды или пикосекунды: вибрация быстро рассеивается через точки крепления пластины к основанию чипа.

Стэнфордская группа модифицировала геометрию резонатора и способы его изоляции от подложки чипа, добившись рекордного показателя добротности. Их микрорезонатор сохраняет механические колебания на собственной резонансной частоте в течение двух миллисекунд.

Две миллисекунды — это чрезвычайно долгий срок для микромеханического объекта, работающего в квантовом режиме. Именно эта задержка дала ученым необходимое временное окно: за две миллисекунды регистрирующая аппаратура успевает провести сотни измерений подряд, чтобы точно определить параметры системы до и после энергетического перехода.

Метод неразрушающего считывания: использование сверхпроводящего кубита

Создать долгоживущее колебание — только половина задачи. Вторая фундаментальная сложность заключалась в регистрации этого колебания.

В квантовой механике измерение неизбежно меняет состояние измеряемого объекта. Невозможно использовать классические способы регистрации вибрации, такие как отражение лазерного луча: свет передает кристаллу фотоны, которые мгновенно нагревают кремний и разрушают одиночный фонон.

Соавторы научной работы Такума Макихара и Эрик Шакель решили эту проблему с помощью сверхпроводящего кубита.

Кубит представляет собой миниатюрную электрическую схему, изготовленную из алюминия и кремния, которая работает при сверхнизких температурах без электрического сопротивления. В этой схеме ток может циркулировать без потерь энергии. Кубит использовали исключительно как пассивный измерительный зонд.

Схема взаимодействия выглядела следующим образом:

1. Бесконтактная связь. Сверхпроводящий кубит разместили рядом с механическим микрорезонатором на расстоянии нескольких нанометров. Между ними не было прямого физического контакта — связь осуществлялась исключительно через электростатическое поле.
2. Частотный сдвиг. Когда микрорезонатор находится в состоянии вибрации, механическое смещение кремниевой пластины меняет электрическую емкость зазора между резонатором и кубитом. Это изменение емкости приводит к микроскопическому сдвигу собственной частоты колебаний электрического тока внутри кубита.
3. Отсутствие передачи энергии. Важно, что в процессе измерения кубит не поглощал механическую энергию резонатора и не передавал ему электрическую энергию. Приборы считывали только изменение фазы и частоты сигнала самого кубита.

Этот метод относится к категории квантово-неразрушающих измерений. Он позволяет непрерывно опрашивать систему, отвечая на бинарный вопрос: находится ли в резонаторе квант механической энергии (состояние «1») или энергия отсутствует (состояние «0»).

Момент фиксации: как происходит квантовый скачок

В ходе эксперимента кремниевый резонатор охладили в криостате растворения до температуры в несколько милликельвинов, после чего возбудили в нем ровно один квант акустического колебания.

Кубит начал непрерывно сканировать состояние резонатора с интервалом в доли микросекунды.

На протяжении значительной части времени жизни колебания приборы стабильно показывали единицу: микрорезонатор физически вибрировал на своей фундаментальной частоте, удерживая один фонон.

Затем произошел переход. В случайный момент времени, не обусловленный внешними сигналами, показания измерительного контура мгновенно изменились с единицы на ноль.

Переход не сопровождался постепенным снижением амплитуды. Не было зарегистрировано никаких промежуточных значений — например, половинной энергии или четверти кванта. Энергия колебания огромного ансамбля атомов кремния исчезла в один неделимый момент времени.

Это стало первым прямым доказательством того, что механическое движение твердого тела рассеивается исключительно скачками, когда речь заходит о предельно малых масштабах энергии.

Практическое значение: почему это важно для технологий

Фиксация квантового скачка звука — это не просто проверка уравнений вековой давности. Это технологический шаг, который открывает конкретные прикладные направления в микроэлектронике и вычислениях.

1. Аппаратный контроль ошибок в квантовых компьютерах

Главное препятствие на пути к созданию масштабируемых квантовых компьютеров — нестабильность кубитов. Внешние шумы вызывают спонтанные скачки энергии, переводя кубиты из расчетного состояния в основное. В результате этого происходят фатальные ошибки в вычислениях.

До сих пор определить точный момент и физическую причину такого сбоя было чрезвычайно сложно, поскольку энергетическая релаксация происходила бесконтрольно. Разработанная стэнфордскими физиками система позволяет не просто регистрировать квантовые скачки, но и локализовать их во времени. Понимание механики рассеивания энергии внутри твердотельного чипа — это первый шаг к созданию архитектур с активным подавлением и исправлением квантовых ошибок.

2. Прецизионное взвешивание молекул

Частота механических колебаний любого резонатора строго зависит от его массы. Если на пластину попадает посторонний объект, масса всей системы увеличивается, а резонансная частота немедленно сдвигается вниз.

Поскольку микрорезонатор команды Сафави-Наэини доведен до квантового предела чувствительности, он способен реагировать на предельно малые массы. Исследователи из Стэнфорда совместно с лабораторией профессора Майкла Роукса из Калифорнийского технологического института уже начали разработку сенсорной платформы на базе этой установки.

Цель проекта — создание анализатора, способного взвешивать и идентифицировать единичные белковые молекулы и структуры внутри живой клетки. Оседая на чувствительную площадку резонатора, белок будет изменять квантовые параметры колебаний, что позволит определять его молекулярную массу и форму с точностью, недостижимой для традиционной масс-спектрометрии.

3. Модернизация радиочастотных акустических компонентов

Звуковые волны в твердых телах распространяются примерно в 100 000 раз медленнее, чем электромагнитное излучение в вакууме. Из-за этого длина акустической волны на заданной частоте оказывается в сотни тысяч раз меньше длины радиоволны той же частоты.

Это физическое свойство лежит в основе работы современных смартфонов и систем беспроводной связи. В каждом мобильном телефоне установлены десятки микроэлектромеханических фильтров на поверхностных (SAW) и объемных (BAW) акустических волнах. Они принимают радиосигнал из эфира, переводят его в компактную звуковую вибрацию внутри кристаллической пластинки, отсекают паразитные помехи и переводят сигнал обратно в электрический ток.

Возможность управлять звуком на уровне одиночных фононов позволяет инженерам проектировать микроэлектромеханические фильтры нового поколения. В перспективе такие компоненты смогут служить компактными ячейками квантовой памяти: звуковая волна может задерживать и сохранять информацию внутри микроструктуры, работая связующим звеном между электронными микросхемами и волоконно-оптическими каналами связи.

Фундаментальный итог

Эксперимент Стэнфордского университета устраняет давнее разделение между физикой микрочастиц и классической механикой видимых объектов.

Долгое время считалось, что квантовые правила — квантование энергии, суперпозиция, мгновенные скачки — применимы только к изолированным атомам, электронам и фотонам, в то время как физические твердые тела подчиняются исключительно гладким законам механики Ньютона.

Работа группы Амира Сафави-Наэини показала, что это разделение искусственно. Твердотельный кремниевый резонатор, состоящий из миллиардов атомов и видимый в оптический микроскоп, в условиях сверхнизких температур и изоляции от внешнего шума ведет себя в точности как единичная квантовая система.

Звук в твердом теле не является непрерывным процессом. Он состоит из строго определенных порций энергии, и когда механическое колебание прекращается, оно обрывается мгновенным квантовым скачком. Теперь физики не просто знают об этом теоретически, но и располагают инструментами, позволяющими фиксировать этот процесс с точностью до долей миллисекунды.

Источник: Science