За първи път: Американски учени регистрираха квантов скок в звука в реално време

Изследователи от Станфордския университет в САЩ са постигнали уникално постижение, като са регистрирали квантов скок в звука в реално време. Това измерване отваря нова линия на научни изследвания с потенциални приложения в квантовите изчисления и сензорите, които могат да бъдат приложени веднага.

Квантовите скокове са внезапни преходи в енергийните състояния на квантовата система. Концепцията за квантовия скок съществува от повече от 100 години, като теоретичният физик Нилс Бор е първият, който я е предлложил през 1913 година. Едва през 1986 година учените обаче за първи път са наблюдавали скок в уловени йони, след което през 2007 година следва наблюдение при фотоните – фундаменталните частици на светлината.

Почти две десетилетия по-късно екип от учени, ръководен от Амир Сафави-Наеини, физик от Станфордския университет е наблюдавал квантов скок във фононите – основната единица на звука. За да обясни откритието си, Сафави-Наеини даде за пример звука от звънец, който затихва постепенно с течение на времето, а не изведнъж. На квантово ниво обаче тези затихвания се случват на скокове, а екипът на Сафави-Наеини ги е измерил в реално време – постижение, което е първото по рода си.

Как са го измерили?

За да извършат това измерване, изследователите са конструирали механичен резонатор с размери, типични за компютърните чипове. Малкият размер на резонатора е позволил да се поместят няколко такива устройства на един чип. Подобно на камертона, резонаторът също звучи, когато бъде ударен. Изследователите обаче са конструирали резонатора така, че времето на „звучене“ да е само две милисекунди. Макар това да звучи изключително кратко, в микроскопичния мащаб, в който работи резонаторът то е равносилно на камертон, който вибрира в продължение на часове.

По този начин дългият резонанс, или „времето на затихване“ на резонатора е позволило на изследователите да направят стотици измервания и да установят точно кога вибрациите му преминават от 1 към 0, т.е. когато се осъществява квантовият скок.

Предизвикателства и решения

Едно от основните предизвикателства за изследователи, работещи с квантова система е да извлекат сигнала от системата, без да нарушават нейното крехко състояние. Изследователският екип от Станфорд е открил начин да свърже резонатора със свръхпроводящ кубит, така че той да може да действа като детектор.

Благодарение на този свръхпроводящ кубит изследователите са успели да засекат в реално време точния момент, в който се е случил квантовият скок. Освен че позволява откриването на квантовия скок в реално време, това изследване поставя основите за много квантови разработки в близкото бъдеще. Например, в квантовите изчисления крехкото квантово състояние може да предизвика грешки, преди изчисленията да бъдат завършени. Тези квантови скокове се считат за грешки, но определянето на точния момент, в който са се случили се е оказало трудно. Възможността за откриване на квантов скок скоро може да се промени.

Микроскопичният резонатор и двойката кубити могат да се използват и за прецизно измерване – нещо, върху което Сафави-Наеини и неговият екип вече работят съвместно с изследователи от Калифорнийския технологичен институт (Caltech) за откриване и идентифициране на протеини в клетките. Тъй като звукът е неразделна част от голям брой съвременни устройства като смартфоните, потенциалните приложения биха могли да се развият и в тези области.