Звукът е дискретен: физиците за първи път регистрираха квантов скок в реално време

В класическата механика движението се счита за непрекъснато. Ако твърдо тяло бъде приведено в състояние на вибрация, амплитудата на колебанията му ще намалява постепенно. Енергията на механичното движение непрекъснато се превръща в топлинна енергия на околната среда и се разсейва вътре в кристалната решетка на самия материал. Графиката на това затихване изглежда като плавна низходяща линия, по която няма резки промени.

Фундаменталната физика обаче твърди обратното. Според законите на квантовата механика енергията на всеки физически обект се разпределя в строго определени порции — кванти. Всяка промяна в енергията на затворена система не протича плавно, а скокообразно: системата мигновено преминава от едно енергийно ниво към друго.

Група физици от Станфордския университет, ръководена от професор Амир Сафави-Наеини, за първи път успя да потвърди експериментално това правило за механичните колебания на твърдо тяло. Учените директно регистрираха квантовия скок на звуковата вълна в реално време, като зафиксираха момента, в който енергията на механичното колебание мигновено спадна до нула.

Резултатите от този експеримент, публикувани в списанието „Science“, поставят край на изследователски цикъл, продължил повече от сто години, и създават основа за принципно нови инженерни решения в областта на изчислителната техника и сензорните технологии.

Квантовият силициев микрорезонатор, свободна интерпретация Сто години търсене: от квантовата теория към механиката на твърдото тяло

Идеята, че енергийните преходи в природата протичат мигновено и скачкообразно, възникна в началото на XX век. През 1913 г. физикът Нилс Бор публикува модел на атома, в който електроните могат да се движат около ядрото само по строго определени орбити. При преход от една орбита към друга електронът трябвало мигновено да излъчи или погълне квант енергия. Този процес бил наречен квантов скок.

В продължение на много десетилетия учените спореха дали квантовият скок съществува физически, или това е само математическа абстракция за описание на вероятностите. Дълго време техническото ниво на апаратурата не позволяваше това явление да се наблюдава директно.

Първият експериментален пробив се случи през 1986 г., когато физиците регистрираха квантови скокове в единични йони, задържани в електромагнитни капани. През 2007 г. изследователите повториха този резултат за фотоните — елементарните частици и кванти на електромагнитното излъчване.

Звук и светлина

Звукът оставаше последната неизследвана област. Причината се крие във фундаменталната разлика между светлината и звука:

Светлината се състои от фотони. Фотонът е елементарна частица, която не се нуждае от материална среда и може свободно да се движи в пълен вакуум. Наблюдаването на изолиран фотон е сложно, но физически възможно, тъй като той представлява единичен квантов обект.

Звукът представлява механична вълна. Това е съгласувано изместване на атомите вътре в веществото. Звукът не може да съществува във вакуум.

Квантът на механичните колебания се нарича фонон. Фононът е неделима порция енергия от колебанията на кристалната решетка. Но ако фотонът е самостоятелна частица, то фононът представлява съгласувано движение на трилиони атоми, които взаимодействат помежду си.

Тъй като в процеса на механичната вибрация е включено огромно количество материя, изолирането на подобна система от външния свят е изключително трудно. Всяко външно топлинно въздействие или микроскопичен шум предизвиква хаотични колебания на атомите, които мигновено заглушават квантовите ефекти. Ето защо досега никой не е успял да регистрира загубата на единичен фонон непосредствено в момента на това събитие.

Стогодишната еволюция на квантовите скокове. От момента на формулирането на квантовата теория през 1913 г. на физиците им бяха необходими десетилетия, за да се научат да наблюдават мигновените енергийни преходи на практика. През 1986 и 2007 г. експериментите бяха проведени с единични частици (един йон или един фотон). В експеримента в Станфорд през 2024 г. квантовия скок на звука беше регистриран за първи път в силициев резонатор, състоящ се от над 100 милиарда атома, обединени от общо механично колебание. Физическата природа на фонона: защо не забелязваме квантуването в ежедневието

Когато човек удари метален предмет, звуковата вълна пренася огромно количество енергия по мерките на микросвета. В този процес едновременно участват квадрилиони фонони. Енергията на механичното колебание наистина затихва на квантови порции, но всяка отделна порция е толкова малка, а броят им е толкова голям, че човешките сетива и стандартните измервателни уреди възприемат процеса като непрекъснато и плавно затихване.

Ако системата съдържа трилион кванта енергия, загубата на един квант е незабележима. Физическият уред регистрира само усреднен статистически показател.

За да се наблюдава квантовото поведение на механичното движение, е необходимо да се изпълнят две строги условия:

Системата трябва да бъде напълно изчистена от топлинни смущения. За целта изследваният образец трябва да се охлади почти до абсолютната нула — до температури от порядъка на десети части от миликелвинa. При такива условия топлинното движение на атомите замира и системата преминава в състояние на покой. Да се възбудят в материала колебания с толкова ниска интензивност, че в него да се намира точно един квант енергия — един фонон.

Само в този случай механичната система ще се намира на първото възбудено енергийно ниво (състояние „1“). Ако тази система отдаде своята енергия, ще настъпи квантов скок към основното състояние (състояние „0“), съответстващо на пълна липса на колебания с дадената честота.

Класическото затихване срещу квантовия скок. Горе: класически модел на звука в силициев резонатор с време на живот 2 милисекунди — колебанията продължават през цялото това време, като плавно отдават енергия. Долу: квантовата реалност от експеримента в Станфорд — системата задържа точно един фонон (ниво 1), след което мигновено (за по-малко от една наносекунда) излъчва енергията в състояние на пълен покой (ниво 0) Експерименталната инсталация: микрорезонатор върху силициев чип

За провеждането на експеримента изследователите от Станфорд разработиха механичен микрорезонатор. Това е микроскопична силициева пластина, изработена чрез фотолитография — технология, която се използва в производството на компютърни процесори.

Въпреки че размерите на резонатора са микроскопични, той може лесно да се наблюдава под стандартен оптичен микроскоп. Той представлява напълно осезаем физически обект, състоящ се от милиарди атоми от силиций.

Основната задача на инженерите беше да увеличат времето за затихване на колебанията. В квантовата акустика преобладаващото мнозинство от микроструктурите губи механична енергия за наносекунди или пикосекунди: вибрацията бързо се разсейва през точките на закрепване на пластинката към основата на чипа.

Апаратурата, с която физици от Станфорд наблюдаваха на живо как един-единствен фонон изчезва от механичен резонатор, разкривайки квантови скокове на звука в реално време

Екипът от Станфорд модифицира геометрията на резонатора и начините за неговата изолация от подложката на чипа, постигайки рекорден коефициент на качествен фактор. Техният микрорезонатор запазва механичните колебания при собствената си резонансна честота в продължение на две милисекунди.

Две милисекунди — това е изключително дълъг период за микромеханичен обект, работещ в квантов режим. Именно това забавяне предостави на учените необходимия времеви прозорец: за две милисекунди регистриращата апаратура успява да извърши стотици измервания подред, за да определи точно параметрите на системата преди и след енергийния преход.

Методът за неразрушително отчитане: използване на свръхпроводящ кубит Този механичен резонатор, показан на илюстрацията, позволи на изследователите да регистрират квантовите скокове на звука

Създаването на дълготрайно колебание е само половината от задачата. Втората фундаментална сложност се състоеше в регистрирането на това колебание.

В квантовата механика измерването неизбежно променя състоянието на измервания обект. Невъзможно е да се използват класическите методи за регистриране на вибрациите, като например отражение на лазерен лъч: светлината предава на кристала фотони, които мигновено нагряват силиция и разрушават единичния фонон.

Ролята на кубита

Съавторите на научната работа Такума Макихара и Ерик Шакел решиха този проблем с помощта на свръхпроводящ кубит.

Въпросният кубит представлява миниатюрна електрическа схема, изработена от алуминий и силиций, която работи при свръхниски температури без електрическо съпротивление. В тази схема токът може да циркулира без загуби на енергия. Кубитът е бил използван изключително като пасивна измервателена сонда.

Този механичен резонатор, заснет със сканиращ електронен микроскоп, позволи на изследователите да регистрират квантовите скокове на звука

Схемата на взаимодействието изглежда по следния начин:

Безконтактна връзка. Свръхпроводящият кубит беше разположен в непосредствена близост до механичния микрорезонатор на разстояние от няколко нанометра. Между тях нямаше пряк физически контакт — връзката се осъществяваше изцяло чрез електростатично поле. Честотно отместване. Когато микрорезонаторът се намира в състояние на вибрация, механичното изместване на силициевата пластина променя електрическия капацитет на междинното пространство между резонатора и кубита. Това промяна на капацитета води до микроскопично отместване на собствената честота на колебанията на електрическия ток вътре в кубита. Липса на пренос на енергия. Важно е, че по време на измерването кубитът не поглъща механична енергия от резонатора и не му предава електрическа енергия. Уредите отчитаха само промяната във фазата и честотата на сигнала на самия кубит.

Този метод спада към категорията на квантово-неразрушителните измервания. Той позволява непрекъснато да се извършва измерване на системата, като се отговаря на двоичен въпрос: намира ли се в резонатора квант механична енергия (състояние „1“) или енергията липсва (състояние „0“).

Практическото значение: защо това е важно за технологиите Учените от Станфорд за първи път наблюдаваха квантови скокове на звука в реално време, като видяха как отделни фонони внезапно преминават от едно енергийно състояние в друго

Фиксирането на квантовия скок на звука не е просто проверка на уравнения, датиращи от преди векове. Това е сериозен технологичен напредък, който отваря конкретни приложни насоки в микроелектрониката и изчислителните технологии.

1. Хардуерна проверка на грешките в квантовите компютри

Основното препятствие по пътя към създаването на мащабируеми квантови компютри е нестабилността на кубитите. Външните шумове предизвикват спонтанни енергийни скокове, прехвърляйки кубитите от изчислителното състояние в основното. В резултат на това възникват фатални грешки в изчисленията.

Досега беше изключително трудно да се определи точният момент и физическата причина за тези сривове, тъй като енергийната релаксация протичаше безконтролно. Разработената от физиците от Станфорд система позволява не само да се регистрират квантовите скокове, но и да се локализират във времето.

Разбирането на механиката на разсейването на енергията вътре в твърдотелния чип е първата стъпка към създаването на архитектури с активно потискане и коригиране на квантови грешки.

2. Прецизно претегляне на молекулите

Честотата на механичните колебания на всеки резонатор строго зависи от неговата маса. Ако върху пластината попадне чужд обект, масата на цялата система се увеличава, а резонансната честота незабавно се измества надолу.

Тъй като микрорезонаторът на екипа на Сафави-Наеини е доведен до квантовата граница на чувствителност, той е способен да реагира на изключително малки маси. Изследователи от Станфорд, съвместно с лабораторията на професор Майкъл Роукс от Калифорнийския технологичен институт, вече са започнали разработката на сензорна платформа на базата на тази апаратура.

Целта на проекта е създаването на анализатор, способен да претегля и идентифицира единични протеинови молекули и структури вътре в жива клетка. Като се отложи върху чувствителната повърхност на резонатора, протеинът ще променя квантовите параметри на колебанията, което ще позволи да се определят молекулното му тегло и форма с точност, недостижима за традиционната масова спектрометрия.

3. Модернизация на радиочестотните акустични компоненти

Звуковите вълни в твърдите тела се разпространяват приблизително 100 000 пъти по-бавно, отколкото електромагнитното излъчване във вакуум. Поради това дължината на акустичната вълна при дадена честота се оказва стотици хиляди пъти по-малка от дължината на радиовълната със същата честота.

Това физично свойство е в основата на работата на съвременните смартфони и системите за безжична връзка. Във всеки мобилен телефон са вградени десетки микроелектромеханични филтри, работещи на повърхностни (SAW) и обемни (BAW) акустични вълни. Те приемат радиосигнала от ефира, преобразуват го в компактна звукова вибрация вътре в кристалната пластинка, отсяват паразитните смущения и преобразуват сигнала обратно в електрически ток.

Възможността да се управлява звукът на ниво единични фонони позволява на инженерите да проектират микроелектромеханични филтри от ново поколение. В бъдеще тези компоненти ще могат да служат като компактни клетки на квантовата памет: звуковата вълна може да задържа и съхранява информация вътре в микроструктурата, действайки като свързващо звено между електронните микросхеми и оптичните канали за връзка.

Учените от Станфорд Фундаментален извод

Експериментът на Станфордския университет премахва дългогодишното разделение между физиката на микрочастиците и класическата механика на видимите обекти.

Дълго време се смяташе, че квантовите правила — квантуването на енергията, суперпозицията, мигновените скокове — са приложими само към изолирани атоми, електрони и фотони, докато физическите твърди тела се подчиняват изключително на гладките закони на нютоновата механика.

Работата на групата на Амир Сафави-Наеини показва, че това разделение е изкуствено. Твърдотелният силициев резонатор, състоящ се от милиарди атоми и видим под оптичен микроскоп, при условия на свръхниски температури и изолация от външен шум се държи точно като единична квантова система.

Звукът в твърдото тяло не е непрекъснат процес. Той се състои от строго определени порции енергия, и когато механичното колебание спира, то се прекъсва с мигновен квантов скок. Сега физиците не само знаят това теоретично, но и разполагат с инструменти, позволяващи да се фиксира този процес с точност до части от милисекундата.