Физики Стэнфордского университета в реальном времени проследили момент, когда отдельный фонон исчезает из механического резонатора. Система перейти из состояния с одним квантом колебаний в состояние без него произошла дискретно — как резкий скачок, а не плавное затухание энергии.
Фонон — это квант коллективного движения атомов в материале. Энергия такого колебания принимает строго определённые значения, поэтому переходы между уровнями происходят порциями. Квантовые свойства фононов демонстрировали раньше, но отследить отдельный скачок во время жизни резонатора прямым методом не получалось до сих пор.
Стэнфордская команда использовала микроскопический резонатор из ниобата лития, связанный со сверхпроводящим трансмоном. Этот кубит выступал детектором, реагируя на число фононов внутри резонатора. Механическая мода работала на частоте около 3,277 ГГц, эффективная масса резонатора составляла 0,2 пикограмма.
Ключевая особенность установки — необычно долгое время жизни механического возбуждения. Без измерений резонатор сохранял энергию около 2,1 мс. Кубит проверял состояние примерно каждые 12 мкс и в 99% случаев сохранял число фононов. Частые проверки влияли на систему: эффективное время жизни сокращалось до 649 мкс.
Физики восстанавливали наиболее вероятное состояние резонатора в каждый момент времени из последовательности измерений. Распределение найденных скачков показало время жизни 645 ± 29 мкс — совпадение с независимым измерением позволило указать момент перехода от одного фонона к нулю в отдельной квантовой траектории.
Для квантовых вычислений отслеживание скачков фононов открывает путь к быстрой коррекции ошибок, когда система замечает момент сбоя. Высокая чувствительность резонатора пригодна также для квантовых сенсоров — Стэнфордская команда уже изучает платформу для поиска белков внутри клеток.
Фононы переходят из области фундаментальной физики в практический инструмент квантовых устройств. В августе инженеры Гарварда заставили звуковые колебания защищать квантовую память от шума и увеличили время когерентности спинового кубита более чем втрое. Параллельно физики объединяют механические колебания с фотоникой — научились запутывать свет и звук в одной квантовой системе. Возможность наблюдать отдельные переходы фононов добавляет к таким схемам новый инструмент контроля.
