პირველად მეცნიერები აკვირდებიან, როგორ გადადის ხმა კვანტურ მდგომარეობებს შორის

სტენფორდის მკვლევრებმა პირველად ჩაიწერეს ხმის კვანტური ნახტომები რეალურ დროში, დააკვირდნენ რა, როგორ ქრებიან ცალკეული ფონონები მოულოდნელად ერთი ენერგეტიკული მდგომარეობიდან და მეორეში გადადიან. ამ მიღწევამ შესაძლოა ახალი გზები გახსნას კვანტური გამოთვლებისთვის, შეცდომების გასწორებისთვის, მაღალმგრძნობიარე ბიოლოგიური სენსორებისა და ხმის გამოყენებით შექმნილი მომავალი თაობის მოწყობილობებისთვის.

სტენფორდის მკვლევრებმა პირველად უშუალოდ დააკვირდნენ ხმის კვანტურ ნახტომებს მექანიკურ რეზონატორში, რაც კვანტური ფიზიკის კვლევების იმ ხაზში უახლესი მნიშვნელოვანი მიღწევაა, რომლის ისტორია საუკუნეზე მეტს ითვლის.

კვანტური ნახტომები — ერთი ენერგეტიკული მდგომარეობიდან მეორეში უეცარი გადასვლები — კვანტური თეორიის ნაწილია 1900-იანი წლების დასაწყისიდან. მკვლევრებმა ისინი პირველად 1986 წელს ხაფანგში მოქცეულ იონებში აჩვენეს, რასაც 2007 წელს ფოტონების — სინათლის ფუნდამენტური ნაწილაკების — კვლევა მოჰყვა. თუმცა ხმა უფრო რთულ სამიზნედ რჩებოდა. სტენფორდის ფიზიკოს ამირ საფავი-ნაეინის ხელმძღვანელობით მომუშავე გუნდმა ახლა ეს ნახტომები უშუალოდ ჩაიწერა; შედეგები გამოქვეყნდა გამოცემაში Science.

„ეს კვლევა გვიჩვენებს, რომ ხმის გამოყენებით ახალი კვანტური ტექნოლოგიების განვითარებაში წინსვლას შევძლებთ“, — თქვა საფავი-ნაეინიმ, სტენფორდის ჰუმანიტარულ მეცნიერებათა და მეცნიერებათა სკოლის გამოყენებითი ფიზიკის ასოცირებულმა პროფესორმა. „ჩვენ ვნახეთ, რომ ვიბრირებად ობიექტებს შეუძლიათ კვანტური ქცევის გამოვლენა, რაც კვანტური გამოთვლისა და სენსორიკისთვის საჭირო მრავალი ოპერაციის წინაპირობაა.“

ხმის კვანტურ-მექანიკური ქცევის დაკვირვება

სინათლის უმცირესი დისკრეტული ერთეული ფოტონია. ხმის კვანტური ეკვივალენტი ფონონია, რომელიც მრავალი ატომის შეთანხმებულ მოძრაობას წარმოადგენს.

ყოველდღიურ ცხოვრებაში ვიბრაცია თითქოს თანდათანობით ქრება. მაგალითად, ზარის ხმა ნელ-ნელა სუსტდება, სანამ არ გაქრება. კვანტურ მასშტაბზე სურათი სრულიად განსხვავებულია. რეზონატორის ვიბრაციული ენერგია განუწყვეტლივ კი არ იცვლება, არამედ მკაფიოდ გამოყოფილი საფეხურებით, იონებსა და ფოტონებში ადრე დაკვირვებული ქცევის მსგავსად.

ადრინდელი ექსპერიმენტები იძლეოდა იმის მტკიცებულებას, რომ ხმას ასეთი გადასვლების განხორციელება შეეძლო. ახალი კვლევა უფრო შორს მიდის: მასში ცალკეულ ფონონებს პირდაპირ აკვირდებიან, როდესაც ისინი რეალურ დროში კვანტურ ნახტომებს ახორციელებენ.

მიკროსკოპული რეზონატორი უჩვეულოდ ხანგრძლივი ჟღერადობით

ექსპერიმენტში გამოყენებული მექანიკური რეზონატორი ჩიპების დამზადების ტექნიკით ააგეს. მისი მცირე ზომა ნიშნავს, რომ მრავალი ასეთი რეზონატორის ერთ ჩიპზე განთავსება და რთული ამოცანების შესასრულებლად გამოყენება პოტენციურად შესაძლებელი იქნება.

კრიტიკულად მნიშვნელოვანი იყო ის, თუ რამდენ ხანს შეძლებდა მოწყობილობა ვიბრაციის გაგრძელებას. მიკროსკოპული კამერტონის მსგავსად მოქმედ რეზონატორს ვიბრაცია ორი მილიწამის განმავლობაში შეუძლია. იგივე შეფარდებითი უნარი რომ ჰქონოდა ჩვეულებრივი ზომის კამერტონს, ის რამდენიმე საათის განმავლობაში განაგრძობდა ჟღერადობას.

ამ უჩვეულოდ ხანგრძლივმა „ჟღერადობის დრო“ მკვლევრებს ასობით გაზომვის შესაგროვებლად საკმარისი დრო მისცა. ამ განმეორებითმა გაზომვებმა მათ საშუალება მისცა დაედგინათ მომენტი, როდესაც ვიბრაცია გაქრა და ხმა ენერგეტიკული მდგომარეობიდან 1 მდგომარეობაში 0 გადავიდა.

მყიფე კვანტური მდგომარეობის გაზომვა

ექსპერიმენტი ასევე მოითხოვდა, რომ მკვლევრებს გადაეჭრათ კვანტურ ინჟინერიაში დიდი ხნის წინ არსებული პრობლემა: როგორ გაეზომათ, რა ხდება კვანტურ სისტემაში, გაზომვისთვის საჭირო მყიფე მდგომარეობის დარღვევის გარეშე.

ტაკუმა მაკიჰარამ და ერიკ საკიელმა, რომლებიც კვლევის თანაპირველი ავტორები არიან, შეიმუშავეს მიკროსკოპული მექანიკური რეზონატორის ზეგამტარ კუბიტთან დაკავშირების მეთოდი. კუბიტი არის ელექტრული წრედი, რომელსაც კვანტური ინფორმაციის შენახვა შეუძლია და ამ მოწყობილობაში დეტექტორის როლსაც ასრულებდა.

„ჩვენ მუდმივად გვიწევდა ახალი პროცესების შემუშავება, რათა შეგვექმნა ეს უკიდურესად ხანგრძლივად მვიბრირებადი ობიექტი და შემდეგ კუბიტთან, ჩვენს პატარა ელექტრულ დეტექტორთან, გაგვეერთიანებინა — ისე, რომ არც ერთი ქვესისტემა არ დაგვეზიანებინა“, — თქვა მაკიჰარამ, სტენფორდის დოქტორანტურის ახლად კურსდამთავრებულმა.

კუბიტი მექანიკურ რეზონატორს მისი ვიბრაციის ორი მილიწამის განმავლობაში განმეორებით ამოწმებს და ადგენს, ფონონი ენერგეტიკულ მდგომარეობაში 1 იმყოფება თუ 0-ში. ამ გაზომვების მრავალჯერ გამეორებით მკვლევრებს შეუძლიათ ზუსტად განსაზღვრონ, როდის ხდება კვანტური ნახტომი.

კვანტური გამოთვლისა და ულტრამგრძნობიარე სენსორებისკენ

მკვლევრები ამ ნაშრომს ხმის კვანტურ პლატფორმად გამოყენებაზე დაფუძნებული ტექნოლოგიებისკენ გადადგმულ ადრეულ, თუმცა მნიშვნელოვან ნაბიჯად მიიჩნევენ.

ერთ-ერთი შესაძლო გამოყენება კვანტური შეცდომების გასწორებაა. კვანტურ კომპიუტერებს საბოლოოდ შეეძლებათ გარკვეული რთული ამოცანების გადაჭრა, რომლებიც ჩვეულებრივი კომპიუტერებისთვის მიუწვდომელია, თუმცა მათი კვანტური მდგომარეობები უკიდურესად მყიფეა. შეცდომები შეიძლება გამოთვლის დასრულებამდე წარმოიშვას.

კვანტური გამოთვლის მრავალ სისტემაში კვანტური ნახტომი შეიძლება მიუთითებდეს, რომ შეცდომა მოხდა. ამ ნახტომების აღმოჩენა რთული იყო, ამიტომ მათი ხმით მონიტორინგის შესაძლებლობამ შესაძლოა მნიშვნელოვანი ახალი ინსტრუმენტი მოგვცეს კვანტური შეცდომების იდენტიფიცირებისა და გამოსასწორებლად.

მექანიკური რეზონატორისა და კუბიტის კომბინაცია ასევე შეიძლება მაღალმგრძნობიარე საზომ პლატფორმად იქცეს. საფავი-ნაეინის ჯგუფი უკვე თანამშრომლობს კალტექის ფიზიკოს მაიკლ როუკსის გუნდთან, რათა შეისწავლონ, შეიძლება თუ არა სისტემის გამოყენება უჯრედებში არსებული ცილების აღმოსაჩენად და იდენტიფიცირებისთვის.

ხმის უკეთესი კონტროლი

საფავი-ნაეინის ლაბორატორიის ამჟამინდელი დოქტორანტის, საკიელის თქმით, ამ მიღწევას საბოლოოდ შესაძლოა სპეციალიზებული კვანტური ტექნოლოგიების მიღმაც ჰქონდეს გამოყენება. ხმა მნიშვნელოვან როლს ასრულებს სმარტფონებსა და ბევრ სხვა ელექტრონულ მოწყობილობაში, ხოლო ვიბრაციების სულ უფრო ზუსტმა კონტროლმა შესაძლოა ხელი შეუწყოს ამ ტექნოლოგიების ახალი თაობების შექმნას.

„ეს გვიჩვენებს, რომ ხმის წარმოუდგენლად ზუსტი კონტროლი შეგვიძლია, რაც შესაძლოა ნიშნავდეს, რომ მოწყობილობები, რომლებიც ხმას ფუნდამენტურ ტექნოლოგიად იყენებენ, მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდება“, — თქვა მან.

საფავი-ნაეინი ასევე Stanford Q-FARM-ისა და Bio-X-ის წევრია.

სტენფორდის სხვა თანაავტორები არიან დევიდ შუსტერი, ჯოან რეინჰარტის პროფესორი და H&S-ის გამოყენებითი ფიზიკის პროფესორი; შენონ ჰარვი, SLAC-ის ეროვნული ამაჩქარებლის ლაბორატორიის მეცნიერი; მიხირ პენდჰარკარი, ედვარდ ლ. გინტონის ლაბორატორიის ფიზიკური კვლევების მეცნიერი; გამოყენებითი ფიზიკის ყოფილი დოქტორანტი მკვლევარი რეიჩელ გრუენკე-ფროიდენშტაინი; და ოლივერ ჰიჩკოკი, მეთიუ მაქსიმოვიჩი და კავე პეჟეშკი, გამოყენებითი ფიზიკის დოქტორანტი მკვლევრები.

ამ კვლევას მხარი დაუჭირეს Amazon Web Services Inc.-მა, საჰაერო ძალების სამეცნიერო კვლევების ოფისმა, საზღვაო კვლევების ოფისმა, ეროვნულმა სამეცნიერო ფონდმა, კანადის საბუნებისმეტყველო მეცნიერებებისა და საინჟინრო კვლევების საბჭომ და აგს (ჩ)-ის თავდაცვის დეპარტამენტმა.