Po raz pierwszy naukowcy obserwują, jak dźwięk przeskakuje między stanami kwantowymi

Naukowcy ze Stanfordu zarejestrowali pierwsze obserwowane w czasie rzeczywistym skoki kwantowe dźwięku, obserwując, jak pojedyncze fonony nagle znikają z jednego stanu energetycznego i pojawiają się w innym. To przełomowe osiągnięcie może otworzyć nowe możliwości w dziedzinie obliczeń kwantowych, korekcji błędów, niezwykle czułych czujników biologicznych oraz urządzeń dźwiękowych nowej generacji.

Naukowcy ze Stanfordu po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwowali kwantowe skoki dźwięku w rezonatorze mechanicznym, co stanowi najnowszy kamień milowy w badaniach fizyki kwantowej sięgających ponad stulecia.

Skoki kwantowe — nagłe przejścia z jednego stanu energetycznego do innego — są częścią teorii kwantowej od początku XX wieku. Naukowcy po raz pierwszy zademonstrowali je w uwięzionych jonach w 1986 roku, a następnie w fotonach, podstawowych cząstkach światła, w 2007 roku. Dźwięk pozostawał jednak trudniejszym celem. Zespół kierowany przez fizyka ze Stanfordu Amira Safavi-Naeiniego zarejestrował teraz te skoki bezpośrednio, a wyniki opublikowano w Science.

„To badanie pokazuje, że będziemy mogli rozwijać nowe technologie kwantowe wykorzystujące dźwięk” — powiedział Safavi-Naeini, profesor nadzwyczajny fizyki stosowanej w School of Humanities and Sciences na Uniwersytecie Stanforda. „Zaobserwowaliśmy, że drgające obiekty mogą wykazywać zachowanie kwantowe, co jest warunkiem wstępnym wielu operacji potrzebnych w obliczeniach kwantowych i pomiarach”.

Obserwowanie kwantowego zachowania dźwięku

Najmniejszą dyskretną jednostką światła jest foton. Kwantowym odpowiednikiem dźwięku jest fonon, który reprezentuje skoordynowany ruch wielu atomów.

W życiu codziennym wibracje wydają się stopniowo wygasać. Na przykład dźwięk dzwonka staje się coraz cichszy, aż zanika. W skali kwantowej obraz wygląda zupełnie inaczej. Energia drgań rezonatora zmienia się skokowo, a nie w sposób ciągły, podobnie jak wcześniej zaobserwowano w przypadku jonów i fotonów.

Wcześniejsze eksperymenty dostarczyły dowodów, że dźwięk może podlegać takim przejściom. Nowe badanie idzie o krok dalej, bezpośrednio śledząc pojedyncze fonony wykonujące skoki kwantowe w czasie rzeczywistym.

Mikroskopijny rezonator o niezwykle długim czasie wybrzmiewania

Rezonator mechaniczny wykorzystany w eksperymencie został zbudowany przy użyciu technik stosowanych do wytwarzania układów scalonych. Jego niewielki rozmiar oznacza, że potencjalnie wiele takich rezonatorów można umieścić na jednym chipie, aby wykonywały złożone zadania.

Kluczową cechą było to, jak długo urządzenie mogło kontynuować drgania. Rezonator, działający nieco jak mikroskopijny kamerton, może drgać przez dwie milisekundy. Gdyby zwykły kamerton miał taką samą względną zdolność do podtrzymywania drgań, wybrzmiewałby przez kilka godzin.

Ten niezwykle długi „czas wybrzmiewania” dał naukowcom wystarczająco dużo czasu na zebranie setek pomiarów. Wielokrotne odczyty pozwoliły im zidentyfikować moment, w którym drgania zanikły, a dźwięk przeskoczył ze stanu energetycznego 1 do 0.

Pomiar delikatnego stanu kwantowego

Eksperyment wymagał również od naukowców rozwiązania od dawna istniejącego problemu inżynierii kwantowej: pomiaru tego, co dzieje się wewnątrz układu kwantowego, bez zakłócania delikatnego stanu będącego przedmiotem pomiaru.

Takuma Makihara i Erik Szakiel, pierwsi współautorzy badania, opracowali metodę sprzężenia mikroskopijnego rezonatora mechanicznego z nadprzewodzącym kubitem. Kubit to obwód elektryczny zdolny do przechowywania informacji kwantowej, który w tym układzie służył również jako detektor.

„Musieliśmy nieustannie opracowywać nowe procesy, aby stworzyć ten niezwykle trwały, drgający obiekt, a następnie zintegrować go z kubitem, naszym niewielkim detektorem elektrycznym — nie niszcząc przy tym żadnego z tych podukładów” — powiedział Makihara, niedawny doktorant Stanfordu.

Kubit wielokrotnie sprawdza rezonator mechaniczny podczas jego dwumilisekundowych drgań, ustalając, czy fonon znajduje się w stanie energetycznym 1 czy 0. Wykonując te pomiary raz za razem, naukowcy mogą dokładnie określić moment wystąpienia skoku kwantowego.

W stronę obliczeń kwantowych i ultras czułych czujników

Naukowcy postrzegają tę pracę jako wczesny, ale ważny krok w kierunku technologii wykorzystujących dźwięk jako platformę kwantową.

Jednym z potencjalnych zastosowań jest kwantowa korekcja błędów. Komputery kwantowe mogłyby w przyszłości rozwiązywać pewne złożone problemy wykraczające poza możliwości konwencjonalnych komputerów, ale ich stany kwantowe są niezwykle delikatne. Błędy mogą pojawić się, zanim obliczenia zostaną zakończone.

W wielu systemach obliczeń kwantowych skok kwantowy może sygnalizować wystąpienie błędu. Wykrywanie takich skoków było trudne, dlatego możliwość monitorowania ich w dźwięku mogłaby zapewnić nowe ważne narzędzie do identyfikowania i korygowania błędów kwantowych.

Połączenie rezonatora mechanicznego i kubitu mogłoby również stać się niezwykle czułą platformą pomiarową. Zespół Safaviego-Naeiniego już współpracuje z zespołem fizyka Michaela Roukesa z Caltechu, aby zbadać, czy układ można wykorzystać do wykrywania i identyfikowania białek wewnątrz komórek.

Lepsza kontrola dźwięku

Według Szakiela, obecnego doktoranta w laboratorium Safaviego-Naeiniego, to osiągnięcie może ostatecznie znaleźć zastosowanie poza wyspecjalizowanymi technologiami kwantowymi. Dźwięk odgrywa ważną rolę w smartfonach i wielu innych urządzeniach elektronicznych, a coraz bardziej precyzyjna kontrola drgań mogłaby przyczynić się do powstania kolejnych generacji tych technologii.

„Pokazuje to, że możemy niezwykle precyzyjnie kontrolować dźwięk, co może oznaczać, że urządzenia wykorzystujące dźwięk jako podstawową technologię staną się znacznie lepsze” — powiedział.

Safavi-Naeini jest również członkiem Stanford Q-FARM i Bio-X.

Pozostali współautorzy ze Stanfordu to David Schuster, profesor Joan Reinhart i profesor fizyki stosowanej w H&S; Shannon Harvey, naukowiec w SLAC National Accelerator Laboratory; Mihir Pendharkar, naukowiec prowadzący badania fizyczne w Edward L. Ginzton Laboratory; była doktorantka fizyki stosowanej Rachel Gruenke-Freudenstein; oraz Oliver Hitchcock, Matthew Maksymowych i Kaveh Pezeshki, doktoranci fizyki stosowanej.

Badania te były finansowane przez Amazon Web Services Inc., Air Force Office of Scientific Research, Office of Naval Research, National Science Foundation, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada oraz U.S. Department of Defense.