Микрограммовый акустический резонатор подвергли квантовой суперпозиции

Европейские физики сообщили о рекордной макроскопичности в экспериментах по возбуждению неклассических акустических колебаний в резонаторе с эффективной массой в один микрограмм. Для этого они связывали акустическую моду с кубитом с помощью пьезоэлемента и исследовали ее декогеренцию для однофононного и суперпозиционного состояний. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Квантовое описание тел становится избыточным по мере увеличения их размера. Это происходит из-за декогеренции — разрушения квантового состояния под влиянием множественности степеней свободы тела, а также его взаимодействия с окружением. Декогеренция становится проблемой при масштабировании квантовых вычислений и мешает достичь квантового превосходства. По этой причине физики регулярно прощупывают границу между квантовым и классическим, пытаются оценивать ее и смещать в область больших тел.

Наиболее наглядное представление о квантовости в поведении объектов дает интерференционный эксперимент, в котором тела одновременно проходят по разным траекториям. Рекорд в этом направлении пока принадлежит европейским физикам, которые добились пространственной квантовой суперпозиции для молекулы из двух тысяч атомов суммарной массой около 25 тысяч атомных единиц.

Другой подход к этой проблеме основан на возбуждении механических волн в акустических резонаторах и мембранах. Квантовая механика описывает такие волны в терминах числа квантов возбуждения — фононов. Если статистическое распределение фононов отличается нормального, можно говорить о неклассическом состоянии. Физики уже видели признаки таких состояний в массивных резонаторах, но интерес представляет работа именно с малым числом фононов. В этом смысле прогресс куда скромнее и характеризуется пока пикограммовыми телами.

Группа физиков из Германии, Дании и Швейцарии под руководством Маттео Фаделя (Matteo Fadel) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха существенно сместили эту границу. Ученые сообщили об исследовании квантовых когерентных состояний в акустическом резонаторе с эффективной массой порядка микрограмма. Они оценили макроскопичность своего эксперимента как рекордную для опытов с фононами, но уступающую таковой в опытах по интерференции волн материи.

Для своего эксперимента физики использовали пластину из сапфира толщиной 435 микрометров, охлажденную до милликельвиновой температуры. На одной из сторон пластины они размещали небольшой пьезоэлемент, емкостно связанный со сверхпроводящим кубитом. Ранее мы рассказывали, как такая схема позволяет запутывать и считывать информацию о механических резонаторах.

Настройки, выбранные авторами текущей работы, связывали кубит с фононной модой с частотой 5,961 гигагерца и длиной волны 1,8 микрометра. Учитывая плотность кристалла, равную 3,89 грамма на кубический сантиметр, и средний диаметр моды, равный 27 микрометрам, физики оценили массу колеблющегося вещества примерно в один микрограмм.

Суть эксперимента заключалась в подготовке моды в различных когерентных состояниях, а затем ее квантовой томографии с помощью кубита в различные моменты времени. На основе томографических данных физики строили функцию квазивероятностного распределения Вигнера. Она полезна тем, что позволяет обнаружить признаки квантовости по своим отрицательным значениям, которые невозможно получить для классических состояний звука.

Всего авторы работали с двумя начальными состояниями. Первое представляло собой однофононное фоковское состояние, второе — суперпозицию однофононного и нулевого состояний. Измерения показали, что время когерентности в этих состояниях исчисляется десятками микросекунд, причем в первом случае оно в четыре раза больше, чем во втором.

Физики также применили к своим результатам критерий макроскопичности, не так давно разработанный для оценки того, насколько сильно сдвигается граница между классическим и квантовым поведением в системе. Этот параметр нетривиально вычисляется через статистические свойства когерентной динамики и позволяет сравнивать эксперименты разного типа. Так, макроскопичность в одном из опытов по управлению механическими резонаторами с помощью кубитов, про который мы рассказывали, оказалась равной 9, в то время как группа Фаделя смогла добиться значения 11,3. Впрочем, это меньше, чем макроскопичность интерферометрии большой молекулы, равная 14. Авторы планируют в будущем побить и этот рекорд, увеличив длину волны звука и продлив время когерентности до 10 миллисекунд.

Эта задача кажется вполне реалистичной. Мы уже рассказывали, как когерентность колебания мембраны в опыте датских физиков прожила 140 миллисекунд. В этом опыте среднее число фононов составило 0,76, но мембрана имела микрометровый размер. Аналогичные исследования проводят и с по-настоящему большими телами. Так, коллаборация LIGO добилась возбуждения всего 11 фононов в объекте с эффективной массой 10 килограмм. Правда во всех случаях речь шла о классических колебаниях.