Чип проследил квантовый скачок колебания от одного фонона к нулю

Кажется, что гитарная струна колеблется всё слабее, пока не затихнет. Но в крошечной механической структуре при экстремально низкой температуре энергия колебания может меняться ступенями. Минимальная ступень называется фононом: это квант энергии коллективного колебания вещества, а не звуковая волна, распространяющаяся в воздухе.

Такума Макихара, Эрик Сакиэль и коллеги под руководством Амира Х. Сафави-Наейни из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC создали устройство для наблюдения этих ступеней. В статье в Science они связали наномеханический резонатор — структуру, поддерживающую колебание достаточно долго для исследования, — со сверхпроводящим кубитом.

Кубит работает как детектор: его сигнал меняется в зависимости от энергии резонатора. Такая дисперсионная связь позволяет не измерять положение структуры напрямую, поскольку это измерение не позволило бы чётко различить отдельные энергетические уровни. Эксперимент начинался с подготовленного состояния с одним фононом.

Исследователи многократно проверяли с помощью кубита чётность числа фононов. Одна только чётность не сообщает точного количества. Известное начальное состояние, последовательность обусловленных измерений и модель анализа позволили восстановить траекторию, согласующуюся с переходом от n=1 (один фонон) к n=0 (основное состояние).

Полученные траектории показали резкий переход. В статье Science сообщается о верности состояния 85% для подготовленных и отобранных по предварительному сигналу однофононных состояний после обусловленных измерений. Это мера близости отобранного состояния к однофононному, а не уверенность классификации детектора и не эффективность квантового компьютера. В материале для Стэнфордского университета Сара Заске сообщает о времени жизни механического состояния около 2 миллисекунд — достаточно для сотен измерений.

Набор данных, размещённый Макихарой и коллегами на Zenodo, содержит 8 447 траекторий, отобранных после эксперимента; каждая включает 294 проверки чётности. Это подмножество не равно исходному числу всех попыток. Метод относится к квантовым неразрушающим измерениям: считываниям, призванным дольше сохранять интересующую величину — здесь колебательную энергию, — но не гарантирующим полного отсутствия возмущения.

Пока это экспериментальная демонстрация. Устройство работает на чипе в криогенной среде, и авторы не продемонстрировали готовую к применению квантовую память или исправление ошибок. Данные подтверждают наблюдение дискретного перехода в этой системе; для датчиков и систем хранения информации в механических колебаниях нужны дополнительные испытания температуры, масштабирования и контроля шума. Журналистка Рамана Реш в Folha de S.Paulo привела оценки Пьера-Луи де Ассиса из Университета Кампинаса (Unicamp) и Жозе Аугусту Оливейры Угенена из Федерального университета Флуминенсе (UFF) о применимости метода и тепловых ограничениях; эти комментарии не являются повторением опыта.