Ilustrace kvantového skoku. Kredit: Pixabay/CC0 Public Domain.

Kvantové skoky, tedy náhlé přechody z jednoho energetického stavu do druhého, vědci teoreticky předpovídají už od počátku 20. století. První experimentální důkaz těchto skoků se podařil u uvězněných iontů (trapped ions) v roce 1986 a později také u fotonů v roce 2007. Kvantových skoky zvuku ale vědcům doposud unikaly.

Nedávno konečně uspěl výzkumný tým, který vedl fyzik Amir Safavi-Naeini ze Stanford University, který poprvé pozoroval v reálném čase kvantové skoky zvuku v mechanickém rezonátoru. Je to doslova historický úspěch, který završil více než sto let trvající pátrání po tomto pozoruhodném kvantovém jevu.

Amir Safavi-Naeini. Kredit: A. Safavi-Naeini.

Jak uvedl Safavi-Naeini, jejich výsledky přispívají k vývoji nových kvantových technologií využívajících zvuk. S kolegy ukázali, že kmitající objekty mohou mít kvantové chování, což je předpokladem pro využití ve kvantových výpočtech.

Pro naše smysly se vibrace vyvolané zvukem, například u rozezněného zvonu, postupně zmenšují, až zvuk utichne. Na kvantové úrovni se ale vibrační energie rezonátoru mění v diskrétních krocích neboli skocích, podobně jako u iontů a fotonů. Dřívější experimenty už tyto představy potvrdily, výzkum týmu Safaviho-Naeiniho se ale stal prvním, který odhalil jednotlivá kvanta zvuku, kvazičástice fonony, jak dělají kvantové skoky v reálném čase.

Použitý mechanický rezonátor. Kredit: Erik Szakiel.

Badatelé použili nepatrný mechanický rezonátor, který je ale možné pozorovat pod mikroskopem. Navíc ho lze vyrábět pomocí technologií používaných při výrobě počítačových čipů. Díky miniaturním rozměrům by bylo možné na jediný čip umístit velké množství rezonátorů a využít je k provádění složitých funkcí.

Klíčovým úspěchem bylo, když badatelé zmíněný rezonátor, který funguje jako mikroskopická ladička, rozezněli na dvě milisekundy. Kdyby měla stejné kvality ladička běžné velikosti, její zvuk by trval několik hodin. Dvě milisekundy v experimentu každopádně stačily na stovky měření a přesné určení okamžiku, kdy vibrace zmizely a vibrační energie přeskočila z jednoho energetického stavu do druhého.

Vědci museli při experimentu překonat jeden z dlouhodobých problémů kvantového inženýrství – jak získat informace z kvantového systému, aniž by narušili jeho výjimečně křehký stav. Vymysleli, jak propojit mikroskopický mechanický rezonátor se supravodivým qubitem. Jde o elektrický obvod schopný uchovávat kvantovou informaci a zároveň sloužit jako detektor. Qubit dokáže odečítat, co se v mechanickém rezonátoru právě děje. Během dvou milisekund jeho kmitání opakovaně kontroluje, v jakém energetickém stavu se fonon nachází. Vědci tak mohou přesně zaznamenat okamžik, kdy dojde ke kvantovému skoku.

Video: Aug 19, 2026 - Amir Safavi-Naeini: What is quantum computational sensing

Video: This is a SOUND PARTICLE – Phonon and Quasiparticle Physics Explained by Parth G

Literatura

Stanford University 17. 9. 2026.

Science 393: 1217–1220.