Фононные квантовые прыжки впервые зарегистрированы в реальном времени
Физики впервые смогли экспериментально зафиксировать квантовые прыжки в массивном механическом объекте. Эксперимент основан на многолетней работе, связанной с интеграцией двух технологий на наноуровне — фононного кристалла и сверхпроводникового кубита. Результаты исследования опубликованы в журнале Science. Об этом сообщает издание N + 1.
В квантовой механике энергия колебаний связанных систем имеет дискретный характер, что можно наблюдать на примере молекул и ионов в ловушках. Это также должно быть справедливо для механических резонаторов. Однако при измерении их положения дискретность не проявляется: усредненное положение затухает плавно, как у классического маятника. Причина в том, что согласно соотношению неопределенностей, измерение положения нарушает импульс. Это возмущение уничтожает информацию об энергии, и дискретность уровней остается невидимой. Чтобы увидеть квантовую природу механической энергии, необходимо неразрушающее измерение самой энергии — QND-измерение. Для этого гармонический осциллятор связывается с нелинейной системой, способной измерить число фононов без их уничтожения.
Концепция квантовых прыжков была введена Нильсом Бором, который описал скачкообразные переходы между уровнями для объяснения линейчатых спектров атомов. Прямое наблюдение таких прыжков стало возможным лишь спустя десятилетия, сначала в одиночных ионах, затем в электромагнитных резонаторах, где ключевую роль играл нелинейный детектор, измеряющий число фотонов без разрушения. Для механических систем обсуждение таких измерений оставалось теоретическим: физики предлагали схемы для QND-измерений числа фононов и наблюдения квантовых прыжков, однако экспериментальная реализация долгое время не удавалась. Удалось разрешить отдельные энергетические уровни, но не отследить момент прыжка во времени. Основная проблема заключалась в необходимости одновременно получить длительное время жизни фононов, сильную дисперсивную связь с нелинейным детектором и быстрые высокоточные измерения. Главной технической сложностью стало интегрирование пьезоэлектрика в схему со сверхпроводящими цепями.
Шэннон Харви из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и его команда решили эту задачу: они изготовили механическую систему и сверхпроводящий кубит отдельно, а затем объединили их методом переноса с выравниванием. Время жизни фонона в созданной схеме оказалось в сотни раз больше времени измерения, что позволило отследить отдельный квантовый прыжок в реальном времени.
В качестве механического резонатора использовался одномерный фононный кристалл из тонкопленочного ниобата лития. Центральный блок был подвешен на периодических балках, функционирующих как акустические зеркала: чередование балок и промежутков отражает акустическую волну обратно. Это создает фононную запрещенную зону — частотный диапазон, в котором колебания не проходят через подвес, и фононы не утекают в подложку. Кубит имел узкий зазор в 500 нанометров между островками, работая как конденсатор и концентрируя электрическое поле в небольшом объеме. Чем сильнее поле в этой точке, тем сильнее пьезоэлектрическая связь с резонатором, поэтому зазор был сделан максимально узким. Фононный кристалл был размещен прямо над этим зазором, опираясь на пилоны из ниобата лития, что позволило подвесить резонатор на высоте всего 75 нанометров над кубитом. Конструкция удерживалась за счет сил Ван-дер-Ваальса, возникающих при тесном контакте поверхностей. Пилоны обеспечивали жесткую фиксацию, а длительное время жизни фононов свидетельствовало о том, что механическая мода хорошо локализована и не рассеивается.
После сборки системы авторы измерили время жизни фонона — оно составило 2,1 миллисекунды. За это время можно было провести около 170 проверок четности. Кубит сохранял хорошую когерентность: время дефазировки составило 3,2 микросекунды, а время релаксации — 31 микросекунда.
Кубит и резонатор были настроены на разные частоты и не обменивались энергией напрямую. Однако каждый фонон сдвигал частоту кубита на 2χ — по этому сдвигу и определялось число фононов. Поскольку оператор числа фононов не менялся, измерение оставалось квантовым неразрушающим. Сначала авторы проверили, как работает такое измерение, когда кубит находится в состоянии ∣g⟩, и сравнили данные со спектрометрией. Затем они подготавливали состояние с одним фононом, при котором кубит после проверки четности оказывался в состоянии ∣e⟩. Из-за низкой вероятности обнаружения фонона, равной 0,13, зарегистрировать два фонона можно было с очень малой вероятностью, а при повторных измерениях она была близка к нулю. Поэтому измерение четности однозначно показывало, находится ли система в четном состоянии (0 фононов) или в нечетном (1 фонон). Физики проводили по 294 последовательные проверки в каждой из трех траекторий резонатора и отметили резкий переход из n = 1 в n = 0. В отличие от классического осциллятора, который давал бы плавное изменение статистики, здесь переход был резким. Для количественного анализа авторы применили байесовскую оценку. Оказалось, что прыжки происходили в разное время в каждой траектории, что согласуется со стохастической природой квантовых переходов.
Разрушение состояния происходило лишь в 0,013 случая на одну проверку, что подтверждает, что измерения действительно были QND. Это открывает путь к более сложным архитектурам. В дальнейшем авторы планируют реализовать dual-rail-кубиты, размещая два резонатора на одном кубите и проводя совместные измерения четности для отслеживания ошибок. Кроме того, разработанная система может быть полезна и в сенсорике, например, для масс-спектрометрии одиночных молекул.
Хотя квантовые прыжки фононов были исследованы впервые только сейчас, другие свойства этих квазичастиц изучаются уже давно. Например, китайские физики обнаружили топологические фононы в графене, а группа из Японии исследовала хиральность фононов в киновари. Также было установлено, что в железном гранате фононы возникают из магнонов.
