音における量子ジャンプをリアルタイムで初観測(Researchers observe first real-time quantum jump in sound)

2026-09-17 スタンフォード大学

スタンフォード大学の研究チームは、機械振動子における音の量子(フォノン)の量子ジャンプをリアルタイムで直接観測することに初めて成功した。量子ジャンプとは、量子系があるエネルギー状態から別の状態へ突然遷移する現象で、これまでイオンや光子では観測されていたが、音の量子では個々の遷移をリアルタイムで捉えることが困難だった。研究では、半導体製造技術で作製した微小な機械共振器を超伝導量子ビットと結合し、約2ミリ秒続く振動をその間に数百回測定することで、フォノンがエネルギー状態1から0へ移る瞬間を特定した。この高感度な読み出し技術は、量子コンピューターにおけるエラー検出・訂正や高精度センシングへの応用が期待される。さらに、共振器と量子ビットを組み合わせた小型プラットフォームは、細胞内タンパク質の検出や、音響技術を利用するスマートフォンなどの性能向上にもつながる可能性がある。

<関連情報>

音の量子ジャンプ Quantum jumps of sound

Takuma Makihara, Erik Szakiel, Matthew P. Maksymowych, Oliver A. Hitchcock, […] , and Amir H. Safavi-Naeini
Science  Published:17 Sep 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/science.aeh7535

Abstract

Quantum mechanics predicts that a vibrating object’s energy comes in discrete packets, yet no measurement of its position reveals this discreteness. Resolving individual energy levels requires a qualitatively different measurement, one coupling to the resonator’s energy rather than its displacement. We use a superconducting qubit dispersively coupled to a nanomechanical resonator to perform repeated quantum nondemolition measurements of the phonon number. An aligned transfer-print technique integrating the qubit and resonator yields a mechanical lifetime of T1=2.1 milliseconds and a dispersive shift of 2χ/2π=328 kilohertz per phonon. We heralded single-phonon states with 85% fidelity and observed quantum jumps between the resonator’s first excited state and ground state. These discontinuous transitions are a striking manifestation of quantum mechanics in a massive, vibrating object.

1701物理及び化学
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました