--- title: "Физики впервые увидели, как исчезает один квант звука — прямо в реальном времени" description: "Физики впервые проследили квантовый скачок отдельного фонона в реальном времени. Эксперимент открывает новые возможности для квантовых компьютеров и сверхточных датчиков." datePublished: "2026-09-18T07:12:24+00:00" lastmod: "2026-09-18T07:12:24+00:00" author: "Андрей Воробьев" category: "Технологии" image: "https://hanga.su/images/img_26/4d3ce6e8-67ec-4053-9d56-4c81af0bbcac.jpg" slug: "fiziki-vpervye-uvideli-kak-ischezaet-odin-kvant-zvuka-pryamo-v-realnom-vremeni" --- # Физики впервые увидели, как исчезает один квант звука — прямо в реальном времени ![Физики Стэнфордского университета впервые проследили квантовые скачки отдельного фонона — минимальной порции энергии механического колебания — непосредственно в реальном времени.](https://hanga.su/images/img_26/4d3ce6e8-67ec-4053-9d56-4c81af0bbcac.jpg "Как исчезает один квант звука?") Ударьте по камертону, и его звук будет постепенно становиться тише, пока окончательно не исчезнет. В привычном мире кажется очевидным, что энергия колебаний уменьшается плавно. Но если заглянуть достаточно глубоко в квантовый мир, эта картина меняется: энергия механического колебания способна исчезать отдельными порциями. Физика предсказывала такое поведение больше века, а теперь исследователи Стэнфордского университета впервые непосредственно проследили квантовые скачки звука в реальном времени. Само выражение «квант звука» может сбить с толку. Свет состоит из квантов электромагнитного поля — фотонов. Для механических колебаний существует аналогичная квазичастица — фонон. Это не отдельная частица, которую можно вытащить из устройства пинцетом, а квант коллективного движения множества атомов. Когда кристаллическая структура вибрирует определенным образом, минимальную порцию энергии такого колебания удобно описывать как один фонон. Именно здесь привычная интуиция перестает работать. Макроскопический камертон постепенно теряет энергию, и мы воспринимаем затухание как непрерывный процесс. Но квантовый механический резонатор не обязан проходить через бесконечное множество промежуточных энергетических состояний. Если в нем остался один фонон, переход к основному состоянию происходит скачком: было состояние с одной порцией колебательной энергии — и стало состояние без нее. Идея дискретных переходов появилась еще на заре квантовой механики. В 1986 году квантовые скачки удалось непосредственно наблюдать у захваченных ионов, позднее аналогичные явления исследовали для фотонов. Механическое движение оказалось значительно более трудной целью. Чтобы увидеть исчезновение отдельного фонона, нужно создать чрезвычайно хорошо изолированный вибрирующий объект и при этом постоянно измерять его, не разрушая хрупкое квантовое состояние. Стэнфордская команда использовала микроскопический механический резонатор, который можно представить как крошечный камертон, изготовленный методами микроэлектроники. Его размеры достаточно велики, чтобы устройство можно было увидеть в микроскоп, однако режим его движения при соответствующих условиях подчиняется квантовой механике. Решающим преимуществом стало необычно большое время жизни механического возбуждения. Резонатор способен сохранять колебание примерно две миллисекунды. В повседневном масштабе это мгновение, но для подобной квантовой системы — огромный интервал. Если перенести относительную продолжительность такого затухания на обычный камертон, тот продолжал бы звучать несколько часов после одного удара. Эти две миллисекунды дали исследователям возможность сделать то, чего раньше не удавалось: многократно проверять состояние системы прежде, чем фонон исчезнет. Но для этого требовался чрезвычайно деликатный детектор. Непосредственное измерение могло бы само разрушить интересующее состояние и тем самым уничтожить наблюдаемое явление. Решением стал сверхпроводящий кубит — квантовая электрическая схема, связанная с механическим резонатором. Кубит выполнял роль посредника: его состояние зависело от количества фононов в резонаторе, поэтому исследователи могли многократно считывать информацию о механическом движении. Фактически система снова и снова задавала один вопрос: фонон еще здесь или уже исчез? Так ученые получили последовательность измерений, показывающую пребывание резонатора в состоянии с одним фононом. Затем происходил резкий переход — последующие измерения уже соответствовали состоянию с нулем фононов. Вместо реконструкции события задним числом исследователи смогли проследить отдельный квантовый скачок по мере его возникновения. Особенно необычно то, что речь идет о движении множества атомов. Квантовая механика часто ассоциируется с электронами, фотонами и другими микроскопическими объектами. Здесь же квантовое поведение проявляет созданная человеком механическая структура. Она намного крупнее отдельного атома, однако ее определенный режим коллективного движения все равно может существовать в дискретных энергетических состояниях. Эксперимент интересен не только как демонстрация одного из фундаментальных принципов квантовой механики. Возможность замечать отдельные скачки важна для квантовых вычислений. Квантовые состояния чрезвычайно чувствительны к окружающей среде, а потеря кванта энергии способна стать ошибкой в вычислении. Если такую ошибку можно обнаружить непосредственно в момент возникновения, появляется возможность разработать более эффективные способы ее исправления. Механические резонаторы обладают еще одним преимуществом: они компактны и совместимы с технологиями изготовления микросхем. Теоретически на одном чипе можно разместить множество подобных элементов и использовать их для хранения, передачи или преобразования квантовой информации. Звук здесь превращается из привычной акустики в средство управления квантовыми состояниями. Не менее перспективна сверхточная сенсорика. Механический резонатор способен реагировать на чрезвычайно малые изменения массы, силы или взаимодействия с окружающей средой. Если при этом ученые умеют различать отдельные квантовые состояния его движения, чувствительность таких приборов потенциально можно приблизить к фундаментальным физическим пределам. Исследователи уже рассматривают подобные платформы для задач, связанных с обнаружением очень малых биологических объектов, включая отдельные белки. При этом эксперимент не означает, что теперь можно услышать один фонон человеческим ухом. Слово «звук» здесь используется в физическом смысле механического колебания. Частоты, масштабы и условия работы устройства радикально отличаются от обычного разговора или музыки. Но фундаментальный принцип тот же: атомы движутся согласованно и переносят механическую энергию. Более ста лет назад квантовая теория заставила физиков отказаться от представления, что энергия всегда меняется непрерывно. Теперь этот странный принцип удалось буквально проследить во времени в механическом объекте. Микроскопический резонатор некоторое время «звучит» одним последним квантом, а затем происходит событие, которому нет точного аналога в классической картине: последняя порция колебательной энергии исчезает одним скачком. И именно способность увидеть этот момент может превратить фундаментальный эксперимент в инструмент будущих квантовых технологий. **Ссылка:** «Квантовые скачки механического осциллятора» [DOI: 10.1126/science.aeh7535.](https://doi.org/10.1126/science.aeh7535)