Звук, который прыгает: учёные поймали квантовый трюк

Хочу рассказать вам кое-что из лаборатории — и это реально увлекательно.

Группа из Стэнфорда сделала то, что никто раньше не делал: они в реальном времени увидели, как отдельные частицы звука совершают квантовые скачки. Просто сидели и наблюдали, как звук ведёт себя так, что Эйнштейн бы точно заинтересовался.

Что такое квантовый скачок?

Название звучит драматично, но всё просто. Квантовый скачок — это когда что-то крошечное (атом, фотон, а теперь и фонон) мгновенно перескакивает с одного энергетического уровня на другой. Никаких плавных переходов, никакой середины. Просто — бац — и ты уже в другом состоянии.

Мы знали о таких скачках с начала двадцатого века. В 1986 году их заметили у ионов в ловушках, в 2007 — у частиц света. А вот звук упорно не хотел раскрывать свои квантовые тайны. До сих пор.

Звук на квантовом уровне

Фононы — это, если упростить, атомы звука. Самая маленькая порция звуковой волны. Представьте себе кучу атомов, которые синхронно вибрируют — вот вам и фонон.

В обычной жизни звук затухает плавно. Звенит колокольчик — и постепенно звук становится тише. Кажется, что всё это происходит гладко, как песок в песочных часах. Но стоит приблизиться на квантовый масштаб — и начинается странное. Энергия вибрации убывает не плавно, а отдельными, поддающимися счёту порциями.

Команда под руководством физика Амира Сафяви-Нейини создала крошечный механический резонатор с помощью технологий производства микрочипов. И наделила его необычным свойством: он мог вибрировать целых две миллисекунды. Если бы это был обычный камертон таких размеров, он бы звенел часами. Для квантового мира — целая вечность.

Эта долгая вибрация дала учёным время сделать сотни измерений и буквально засечь квантовый скачок — момент, когда звук переходил с энергетического уровня 1 на уровень 0.

Главная сложность: как смотреть и не сломать

Вот где нужна была смекалка. Чтобы увидеть квантовые скачки, нужно измерять систему, не разрушив то самое хрупкое квантовое состояние, которое мы пытаемся изучить. Как пытаться смотреть на мыльный пузырь, не давая ему лопнуть.

Исследователи решили эту задачу: они связали свой резонатор со сверхпроводящим кубитом. Кубит — это квантовый аналог обычного бита в компьютере, он может хранить квантовую информацию. Здесь его использовали как детектор.

Кубит снова и снова «спрашивал» резонатор во время его двухмиллисекундной жизни: «Есть там фонон или нет?». Повторяя этот вопрос много раз, учёные могли точно определить, когда произошёл квантовый скачок.

Ведущий исследователь Такума Макихара сказал красиво: нужно было создать этот долгоживущий вибрирующий объект, а потом подключить к нему крошечный электрический детектор, не угробив ни то, ни другое. По сути, это и есть квантовая инженерия — заставлять невероятно хрупкие вещи работать, пока ты их активно трогаешь.

А зачем нам это?

Ну, мы теперь можем видеть, как звук делает квантовые штуки. Ну и что?

А вот что — это на самом деле важно.

Новый инструмент для квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры потенциально способны решать задачи, на которые у обычных компьютеров ушло бы больше времени, чем существует Вселенная. Но есть проблема: квантовые состояния невероятно хрупкие. Они разрушаются раньше, чем вычисление закончится, внося ошибки.

Важный момент: во многих квантовых компьютерах квантовый скачок означает, что ошибка уже происходит. Если мы научимся ловить такие скачки в звуковых системах, это может стать мощным способом обнаруживать и исправлять квантовые ошибки до того, как они испортят расчёты.

Сенсоры для того, что сейчас невидимо

Команда Стэнфорда уже работает с исследователями из Калтеха над применением этой технологии для обнаружения и идентификации белков внутри живых клеток. Задумайтесь: мы можем оказаться на пороге эпохи, когда квантовые звуковые сенсоры смогут выявлять болезни ещё до появления симптомов.

Лучше звук во всём

И кое-что более близкое: контроль над вибрациями улучшит звуковые технологии в смартфонах и других устройствах. Те же принципы могут привести к более совершенным акустическим технологиям в гаджетах, которыми мы пользуемся каждый день.

А если подумать шире

Что меня по-настоящему зацепило в этой работе — это её значение. Мы не просто добавили ещё один пункт в список «квантовые явления, которые мы наблюдали». Мы движемся к технологиям, которые могут реально изменить мир.

Сафяви-Нейини выразился точно: «Мы увидели, что вибрирующие объекты могут проявлять квантовое поведение. А это основа для многих операций, нужных квантовым вычислениям и сенсорике».

Переведу на человеческий: странные правила, которые управляют крошечными частицами, работают и для обычных объектов вроде вибрирующих мембран. Это огромный концептуальный скачок, и он открывает двери, о существовании которых мы даже не подозревали.

Исследование пока на ранней стадии. До практических квантовых звуковых технологий ещё годы. Но каждый прорыв когда-то начинается с чего-то — и наблюдение за тем, как звук совершает квантовые скачки, это вполне достойное «что-то».

В следующий раз, когда услышите звон колокольчика или почувствуете вибрацию телефона, помните: на глубинном уровне реальности эти звуки состоят из крошечных частиц, прыгающих между состояниями — и мы только начинаем это понимать. Физика — штука безумная. И мне нравится жить во времена, когда мы всё ещё открываем фундаментально новые вещи об устройстве мира.