Квантовые прыжки фононов впервые увидели в реальном времени
Для этого пришлось соединить фононный кристалл со сверхпроводниковым кубитом
Физики впервые смогли экспериментально зарегистрировать квантовые прыжки в массивном механическом объекте. В основе эксперимента лежит многолетняя работа по совмещению двух разных технологий наномасштаба — фононного кристалла и сверхпроводникового кубита. А в основе измерений — проверка четности числа фононов. Работа опубликована в журнале Science.
В квантовой механике энергия колебаний связанных систем дискретна — это видно на примере молекул, ионов в ловушках и поля в резонаторе. То же самое должно быть верно и для механического резонатора. Однако если измерять его положение, дискретность остается невидимой: усредненное положение затухает плавно, как у классического маятника. Дело в том, что из-за соотношения неопределенностей измерение положения неизбежно возмущает импульс. Это возмущение разрушает информацию об энергии, и дискретность уровней остается невидимой. Чтобы увидеть квантовую природу механической энергии, нужно измерять саму энергию, причем неразрушающе — то есть проводить QND-измерение. Для этого гармонический осциллятор нужно связать с нелинейной системой, которая может измерить число фононов, не уничтожив их.
Идея квантовых прыжков восходит к Нильсу Бору (Niels Bohr), который ввел представление о скачкообразных переходах между уровнями, чтобы объяснить линейчатые спектры атомов. Сами прыжки напрямую увидели лишь десятилетия спустя, сначала в одиночных ионах, затем в электромагнитных резонаторах, где ключевую роль играл нелинейный детектор — он измерял число фотонов без разрушения. Для механических систем такие измерения обсуждали только в теории: физики предлагали схемы для QND-измерений числа фононов и наблюдения квантовых прыжков. Однако экспериментально их долго не удавалось реализовать — удавалось разрешить отдельные энергетические уровни, но не отследить сам момент прыжка во времени. Проблема в том, что нужно одновременно получить долгое время жизни фононов, сильную дисперсивную связь с нелинейным детектором и быстрые высокоточные измерения. Главная техническая сложность — интегрировать пьезоэлектрик в схему со сверхпроводящими цепями.