Исследователи впервые проследили, как механический резонатор теряет ровно один квант колебательной энергии. Вместо плавного затухания система совершила резкий переход от состояния с одним фононом к пустому состоянию. Наблюдения опубликованы в Science и дают экспериментаторам инструмент для отслеживания отдельных квантовых событий внутри механических устройств.

В привычном мире звук затихает непрерывно. Ударьте по камертону, и его амплитуда постепенно снижается до нулевого уровня. На квантовом уровне энергия колебания разбита на дискретные порции, каждую называют фононом. Фонон не физическая частица, летающая в материале, а квант коллективного движения множества атомов.

Для эксперимента создали микроскопический резонатор методами, используемыми в производстве микросхем. Прибор работает как миниатюрный камертон, сохраняя колебание около двух миллисекунд. Для объекта такого размера это необычно долго: обычный камертон с аналогичным качеством колебаний звучал бы несколько часов.

Долгое затухание дало достаточно времени для сотен последовательных измерений. Рядом с резонатором разместили сверхпроводящий кубит, электрическую квантовую схему, выполнявшую роль чувствительного детектора. Кубит повторял проверку: остаётся ли механическое колебание на уровне одного фонона или уже перешло в основное состояние. Последовательность измерений позволила зафиксировать момент перехода 1 → 0.

Главная техническая сложность возникла именно из-за необходимости многократно заглядывать в квантовую систему. Обычное измерение разрушает хрупкое квантовое состояние, поэтому одного детектора мало. Авторам пришлось одновременно увеличить время жизни колебания и настроить связь резонатора с электрической схемой так, чтобы каждое считывание не уничтожало состояние сразу после первой проверки.

Квантовые скачки физикам известны давно. Переходы между дискретными состояниями захваченных ионов наблюдали в 1986 году. В 2007 году проследили рождение и исчезновение отдельных фотонов, многократно измеряя свет в резонаторе без поглощения фотона. Для механического движения такой эксперимент оказался сложнее, потому что фонон связан с коллективным движением огромного числа атомов твёрдого тела.

Наблюдённый скачок не означает, что обычный звук в комнате вдруг обрывается посредине. Эксперимент работает с одним квантованным режимом микроскопического резонатора. Когда система теряет энергию, число фононов в этом режиме меняется целыми единицами, поэтому последний квант не становится всё слабей, а система переходит с уровня 1 на уровень 0. Новая установка показала отдельную траекторию такого перехода во времени, а не только восстановила его свойства из усреднённых данных.

Авторы главным образом рассматривают метод для будущих квантовых устройств. В некоторых архитектурах неожиданный переход между энергетическими состояниями служит признаком ошибки, поэтому способность замечать такие события может пригодиться для коррекции сбоев. Микроскопические механические резонаторы также рассматривают как элементы квантовой памяти, каналы передачи информации между компонентами и основу сверхчувствительных датчиков.

Исследователи изучают возможность использовать связку резонатора и кубита для регистрации очень слабых воздействий, вплоть до обнаружения отдельных белков в клетках. Дальнейшие применения видят в устройствах, где работа зависит от акустических колебаний. Практических датчиков эксперимент пока не создал. Главное достижение глубже: механический объект удалось контролировать настолько точно, чтобы наблюдать потерю единственного кванта его движения в реальном времени.