УЧЕНЫЕ ВПЕРВЫЕ НАБЛЮДАЛИ, КАК ЗВУК СОВЕРШАЕТ КВАНТОВЫЙ СКАЧОК – ЧТО ЭТО ОЗНАЧАЕТ
Ученые из Стэнфордского университета впервые непосредственно наблюдали квантовые скачки звука в механическом резонаторе. Об этом пишет Sciencedaily.
Как звук может совершать квантовые скачки?
Исследование возглавил физик Амир Сафави-Наини, доцент кафедры прикладной физики Школы гуманитарных и естественных наук Стэнфордского университета.
Квантовый скачок – это внезапный переход системы из одного энергетического состояния в другое. Это явление стало одним из фундаментальных понятий квантовой физики еще в начале XX века. Первые экспериментальные наблюдения квантовых скачков в захваченных ионах были проведены в 1986 году. В 2007 году ученые смогли наблюдать аналогичное поведение фотонов – фундаментальных частиц света.
Со звуком ситуация сложнее. В повседневной жизни кажется, что вибрация постепенно ослабевает. Например, после удара звон постепенно затихает, а его энергия как будто непрерывно уменьшается.
На квантовом уровне картина иная. Энергия механической системы может изменяться отдельными дискретными порциями. Наименьшей квантовой единицей звуковой волны является фонон – квант коллективного движения большого количества атомов.
Именно отдельные фононы исследователи смогли отследить в ходе эксперимента.
Это исследование показывает, что оно позволит нам двигаться дальше в создании новых квантовых технологий, связанных со звуком. "Мы увидели, что вибрирующие объекты могут демонстрировать квантовое поведение, а это необходимое условие для многих операций, требуемых в квантовых вычислениях и сенсорах", – сказал Амир Сафави-Наини.
Как ученым удалось увидеть отдельный фонон?
Для эксперимента исследователи создали крошечный механический резонатор с помощью технологий производства микросхем. Его небольшой размер в будущем может позволить размещать много таких устройств на одном чипе.
Однако главной особенностью резонатора стала не только его миниатюрность. Устройство способно очень долго сохранять вибрацию. По принципу работы оно напоминает крошечный камертон. Резонатор может продолжать вибрировать примерно 2 миллисекунды. Для такого микроскопического устройства это чрезвычайно длительное время.
Исследователи приводят наглядную аналогию: если бы обычный камертон обладал такой же способностью сохранять вибрацию относительно своего размера, он продолжал бы звучать в течение нескольких часов.
Именно длительное время затухания, или ringdown time, дало команде возможность многократно измерять состояние резонатора. Ученые смогли собрать сотни измерений и установить момент, когда колебание исчезало, а система переходила из энергетического состояния 1 в состояние 0. То есть исследователи не просто получили косвенные доказательства квантового поведения звука. Они смогли отследить отдельные переходы непосредственно в ходе эксперимента.
Почему измерить квантовое состояние было так сложно?
Одной из самых больших проблем стал сам процесс измерения. Квантовые системы чрезвычайно чувствительны к внешнему воздействию, поэтому попытка проверить их состояние может изменить его.
Команде нужно было создать систему, которая позволила бы постоянно контролировать механический резонатор, не разрушив его хрупкое квантовое состояние. Такума Макихара и Эрик Сзакиель, ставшие первыми соавторами исследования, разработали способ соединения механического резонатора со сверхпроводящим кубитом.
Кубит – это электрическая схема, способная хранить квантовую информацию
Ученые из Стэнфордского университета впервые непосредственно наблюдали квантовые скачки звука в механическом резонаторе. Об этом пишет Sciencedaily.
Как звук может совершать квантовые скачки?
Исследование возглавил физик Амир Сафави-Наини, доцент кафедры прикладной физики Школы гуманитарных и естественных наук Стэнфордского университета.
Квантовый скачок – это внезапный переход системы из одного энергетического состояния в другое. Это явление стало одним из фундаментальных понятий квантовой физики еще в начале XX века. Первые экспериментальные наблюдения квантовых скачков в захваченных ионах были проведены в 1986 году. В 2007 году ученые смогли наблюдать аналогичное поведение фотонов – фундаментальных частиц света.
Со звуком ситуация сложнее. В повседневной жизни кажется, что вибрация постепенно ослабевает. Например, после удара звон постепенно затихает, а его энергия как будто непрерывно уменьшается.
На квантовом уровне картина иная. Энергия механической системы может изменяться отдельными дискретными порциями. Наименьшей квантовой единицей звуковой волны является фонон – квант коллективного движения большого количества атомов.
Именно отдельные фононы исследователи смогли отследить в ходе эксперимента.
Это исследование показывает, что оно позволит нам двигаться дальше в создании новых квантовых технологий, связанных со звуком. "Мы увидели, что вибрирующие объекты могут демонстрировать квантовое поведение, а это необходимое условие для многих операций, требуемых в квантовых вычислениях и сенсорах", – сказал Амир Сафави-Наини.
Как ученым удалось увидеть отдельный фонон?
Для эксперимента исследователи создали крошечный механический резонатор с помощью технологий производства микросхем. Его небольшой размер в будущем может позволить размещать много таких устройств на одном чипе.
Однако главной особенностью резонатора стала не только его миниатюрность. Устройство способно очень долго сохранять вибрацию. По принципу работы оно напоминает крошечный камертон. Резонатор может продолжать вибрировать примерно 2 миллисекунды. Для такого микроскопического устройства это чрезвычайно длительное время.
Исследователи приводят наглядную аналогию: если бы обычный камертон обладал такой же способностью сохранять вибрацию относительно своего размера, он продолжал бы звучать в течение нескольких часов.
Именно длительное время затухания, или ringdown time, дало команде возможность многократно измерять состояние резонатора. Ученые смогли собрать сотни измерений и установить момент, когда колебание исчезало, а система переходила из энергетического состояния 1 в состояние 0. То есть исследователи не просто получили косвенные доказательства квантового поведения звука. Они смогли отследить отдельные переходы непосредственно в ходе эксперимента.
Почему измерить квантовое состояние было так сложно?
Одной из самых больших проблем стал сам процесс измерения. Квантовые системы чрезвычайно чувствительны к внешнему воздействию, поэтому попытка проверить их состояние может изменить его.
Команде нужно было создать систему, которая позволила бы постоянно контролировать механический резонатор, не разрушив его хрупкое квантовое состояние. Такума Макихара и Эрик Сзакиель, ставшие первыми соавторами исследования, разработали способ соединения механического резонатора со сверхпроводящим кубитом.
Кубит – это электрическая схема, способная хранить квантовую информацию