Stanford följde ett kvantsprång i ljud – en fonon i taget

Ett kvantsprång är en abrupt övergång mellan tillåtna energitillstånd i ett kvantsystem. Fysiker vid Stanford har nu sett detta hända i en mekanisk vibration: en enskild fonon i en mycket liten resonator gick från en ljudkvant till ingen alls, i stället för att förlora energi genom en jämn, klassisk avklingning. Stanford beskriver det som den första realtidsobservationen av enskilda fononer som gör sådana språng.33

Det forskarna faktiskt såg

Kärnresultatet är att ett konstruerat mekaniskt objekt kan uppvisa diskret kvantbeteende som går att följa. En fonon är en kvant av vibrationsenergi – ljudets motsvarighet till fotonen, ljusets kvant. Fononer föreslogs redan i början av 1900-talet, och Stanford har tidigare visat komponenter som kan mäta enskilda ljudkvanta.21

Det nya är realtidsspåret av en enda fonon som lämnar resonatorn. Tidigare experiment har gett belägg för att mekanisk energi är kvantiserad, men här kunde forskarna övervaka samma resonator tillräckligt länge för att identifiera övergången från en fonon till noll medan den skedde.33

Ett kvantmikrofon på chip

Experimentet använde en mekanisk resonator av litiumniobat i chipformat, placerad omkring 75 nanometer från en supraledande qubit. Resonatorn kan liknas vid en mikroskopisk stämgaffel: den lagrar vibrationsenergi, men på kvantnivå är energin begränsad till bestämda tillstånd med ett visst antal fononer.

Den täta kopplingen gjorde qubitens respons beroende av om resonatorn innehöll en fonon. Forskarna läste inte av fononen genom att absorbera den. I stället mätte de qubiten upprepade gånger. Den indirekta metoden gjorde det möjligt att avgöra resonatorns fonontillstånd och samtidigt fortsätta följa det kvarvarande mekaniska kvanttillståndet.33

Det är avgörande, eftersom en vanlig mätning kan störa eller förstöra det ömtåliga tillstånd som ska mätas. Här var upplägget gjort för att ge hundratals avläsningar under en och samma fonons livstid. Därmed blev en normalt mycket flyktig händelse möjlig att följa.33

2,1 millisekunder räckte för hundratals mätningar

Vibrationen med en fonon levde i ungefär 2,1 millisekunder. Det låter kort, men för ett mikroskopiskt mekaniskt system är det en ovanligt lång avklingningstid – tillräckligt för hundratals mätningar innan fononen försvann. Stanford jämför prestandan med en vanlig stämgaffel i makroskala som skulle ringa i flera timmar.33

Den långa livstiden gav forskarna ett tidsfönster som räckte för att skilja ett abrupt kvantsprång från en utsmetad förlustsignal. Det handlade alltså inte bara om att resonatorn i genomsnitt verkade ha mindre energi efter många försök: experimentet följde en enskild händelse när systemet växlade från en fonon till noll fononer.33

En ny del av historien om kvantsprång

Kvantteorin har länge beskrivit energiutbyte som diskreta enheter. Kvantsprång har tidigare observerats i andra system, bland annat fångade joner och ljusbaserade system. Mekanisk rörelse är svårare att studera, eftersom en fonon är en kollektiv vibration som omfattar många atomer och eftersom själva mätningen kan tillföra värme eller dämpning.33

Stanfordresultatet utvidgar den direkta observationen av kvantsprång till ljud i en mekanisk resonator. Det bygger också vidare på tidigare arbete inom kvantakustik, där supraledande kretsar och nanomekaniska komponenter använts för att skapa, manipulera och räkna enskilda fononer.2021

Varför kvantingenjörer bryr sig

Den omedelbara betydelsen ligger i mätningen, inte i en färdig produkt. Om en kvantkomponent kan följa fononantalet upprepade gånger utan att genast radera tillståndet, kan den på sikt kanske upptäcka när en lagrad mekanisk kvant går förlorad.

Det är relevant för två breda mål:

• Kvantefeldetektering: Att kunna flagga fononförlust i realtid kan ge information som behövs för felkorrigering, förutsatt att mätningen byggs in i en större feltolerant arkitektur.
• Kvantakustisk hårdvara: Små mekaniska resonatorer kan bli delar av system för kvantsensorik, lagring eller informationsbehandling. Den kompakta storleken och långa vibrationstiden är attraktiva egenskaper, men praktiska komponenter kräver fortsatt utveckling av styrning, koppling och felhantering.33

Relaterat arbete från Caltech och Stanford har också undersökt nanoelektromekaniska system, NEMS, där kvantbeteendet kan uppstå ur materialets och komponentens egna egenskaper. Det kan på sikt möjliggöra mer kompakta kvantsensorer eller qubitar utan en extern supraledande qubit.2 Det är dock ett kompletterande forskningsspår, inte en funktion som redan har visats i just detta experiment med ett fononsprång.

Slutsats

Stanford gjorde inte ljud ”mer kvantmekaniskt”. Forskarna gjorde en enskild kvant av mekaniskt ljud möjlig att observera över tid. Genom att koppla en långlivad resonator av litiumniobat till en supraledande qubit och läsa av qubiten upprepade gånger kunde teamet se en fonon göra en diskret energiövergång i realtid.33

Det är ett grundläggande resultat för kvantakustik: det visar att sköra mekaniska kvanttillstånd kan övervakas tillräckligt noga för att studeras – och möjligen en dag hanteras på ett sätt som motverkar de fel som begränsar kvantmaskiner.