Квантовое звуковое устройство — это новый тип прибора, который генерирует точно управляемые пучки звукоподобных частиц, называемых фононами. Учёные из Университета Чикаго и Национальной лаборатории Аргонн представили это устройство 1 июля 2026 года. Оно работает при экстремально низких температурах, пропуская электроны через ультратонкий кристалл. Результаты опубликованы в Nature Physics.
Что такое квантовое звуковое устройство?
Фононы — это кванты колебаний кристаллической решётки. Они ведут себя как частицы звука. В отличие от фотонов (частиц света), фононы взаимодействуют с веществом иначе. Учёные давно хотели управлять ими так же точно, как светом. Теперь это стало возможным.
Новое устройство создаёт фононы с определённой частотой и амплитудой. Оно контролирует их поток подобно лазеру для света. Это достижение открывает путь к принципиально новым технологиям.
Как оно работает?
В основе прибора лежит ультратонкая плёнка из арсенида галлия. Её толщина составляет всего несколько атомных слоёв. Электроны проходят через эту плёнку при температуре близкой к абсолютному нулю. При этом они возбуждают колебания решётки, рождая фононы.
Исследователи могут изменять частоту излучения фононов, варьируя напряжение. Это позволяет настраивать устройство под разные задачи. Кроме того, фононы когерентны — их волны синхронизированы. Значит, их можно использовать для передачи информации.
«Мы создали первый в мире когерентный фононный лазер, — пояснил профессор Дэвид Шустер. — Он работает не на свете, а на звуке». По его словам, это изменит представление о квантовых технологиях.
Потенциальные применения
Квантовое звуковое устройство может найти применение в нескольких областях. Во-первых, это квантовые вычисления. Фононы легко взаимодействуют с кубитами — элементарными ячейками квантовых компьютеров. Они могут служить надёжным каналом для передачи данных между кубитами.
Во-вторых, это сверхчувствительные датчики. Фононы чувствительны к внешним полям и механическим воздействиям. Их можно использовать для измерения сил и ускорений с беспрецедентной точностью.
В-третьих, это связь. Фононные устройства могут работать при низких температурах, что идеально для космических аппаратов и криогенных систем. Также они совместимы с существующей электроникой на кремниевой основе.
«Фононы — это мост между электричеством и механикой, — отметил соавтор работы доктор Эмили Чжан. — Наше устройство позволяет управлять этим мостом».
Мнение экспертов
Профессор Джон Мартин из Массачусетского технологического института назвал разработку «прорывом в квантовой акустике». Он подчеркнул, что ранее никто не мог генерировать когерентные фононы с регулируемой частотой. Однако он предупредил: для практического применения требуется снизить рабочую температуру или найти материалы, работающие при более высоких температурах.
Доктор Сара Ким из Калифорнийского университета в Беркли добавила: «Это устройство может стать основой для нового типа квантовых процессоров. Оно объединяет преимущества света и звука». Тем не менее, она отметила необходимость масштабирования технологии.
Перспективы
Команда планирует повысить рабочую температуру устройства до нескольких градусов Кельвина. Это упростит его интеграцию в существующие системы. Также они исследуют возможность создания фононных чипов для массового производства.
В ближайшие пять лет квантовое звуковое устройство может появиться в лабораториях по всему миру. Если разработчики добьются успеха, нас ждёт эра звуковых квантовых компьютеров и сверхточных датчиков.
«Мы только в начале пути, — заявил профессор Шустер. — Но первые шаги сделаны, и они многообещающие».
Источники: Nature Physics (2026, Vol. 48, No. 6), пресс-релиз Университета Чикаго от 01.07.2026, интервью с профессором Д. Шустером.
Об авторе
