Pentru prima dată, oamenii de știință observă cum sunetul trece între stări cuantice

Cercetătorii de la Stanford au înregistrat primele salturi cuantice în timp real ale sunetului, observând cum fononi individuali dispar brusc dintr-o stare de energie și trec în alta. Descoperirea ar putea deschide noi direcții pentru calculul cuantic, corectarea erorilor, senzori biologici extrem de sensibili și dispozitive de ultimă generație bazate pe sunet.

Cercetătorii de la Stanford au observat direct, pentru prima dată, salturi cuantice ale sunetului într-un rezonator mecanic, marcând cel mai recent progres dintr-o linie de cercetare în fizica cuantică ce se întinde pe mai bine de un secol.

Salturile cuantice -- tranziții bruște de la o stare de energie la alta -- fac parte din teoria cuantică încă de la începutul anilor 1900. Cercetătorii le-au demonstrat pentru prima dată în ioni captivi în 1986, iar apoi în fotoni, particulele fundamentale ale luminii, în 2007. Sunetul a rămas însă o țintă mai dificilă. O echipă condusă de fizicianul de la Stanford Amir Safavi-Naeini a înregistrat acum direct aceste salturi, iar rezultatele au fost publicate în Science.

„Ceea ce arată acest studiu ne va permite să progresăm în dezvoltarea unor noi tehnologii cuantice bazate pe sunet”, a declarat Safavi-Naeini, profesor asociat de fizică aplicată la Facultatea de Științe Umaniste și Științe a Universității Stanford. „Am văzut că obiectele vibrante pot manifesta un comportament cuantic, ceea ce reprezintă o condiție prealabilă pentru multe dintre operațiunile necesare calculului și detecției cuantice.”

Observarea comportamentului cuantic al sunetului

Cea mai mică unitate discretă de lumină este fotonul. Echivalentul cuantic al sunetului este fononul, care reprezintă mișcarea coordonată a multor atomi.

În viața de zi cu zi, vibrația pare să se estompeze lin. De exemplu, un clopot care sună devine treptat mai încet, până când sunetul dispare. La scară cuantică, imaginea este foarte diferită. Energia vibrațională a unui rezonator se schimbă în trepte distincte, nu continuu, asemenea comportamentului observat anterior la ioni și fotoni.

Experimentele anterioare furnizaseră dovezi că sunetul poate trece prin aceste tranziții. Noul studiu merge mai departe, urmărind direct fononi individuali în timp ce efectuează salturi cuantice în timp real.

Un rezonator microscopic cu o persistență neobișnuit de lungă a sunetului

Rezonatorul mecanic utilizat în experiment a fost construit folosind tehnici de fabricare a cipurilor. Dimensiunea sa foarte mică înseamnă că numeroși astfel de rezonatori ar putea fi amplasați pe un singur cip pentru a îndeplini sarcini complicate.

O caracteristică esențială a fost durata pentru care dispozitivul putea continua să vibreze. Funcționând într-o oarecare măsură asemenea unui diapazon microscopic, rezonatorul poate vibra timp de două milisecunde. Dacă un diapazon de dimensiuni normale ar fi avut aceeași capacitate relativă de a susține vibrațiile, ar fi continuat să sune timp de câteva ore.

Această „durată de stingere” neobișnuit de lungă le-a oferit cercetătorilor suficient timp pentru a colecta sute de măsurători. Aceste citiri repetate le-au permis să identifice momentul în care vibrația a dispărut, iar sunetul a trecut de la starea de energie 1 la 0.

Măsurarea unei stări cuantice fragile

Experimentul le-a cerut, de asemenea, cercetătorilor să rezolve o problemă de lungă durată din ingineria cuantică: măsurarea a ceea ce se întâmplă în interiorul unui sistem cuantic fără a perturba starea delicată măsurată.

Takuma Makihara și Erik Szakiel, coautori principali ai studiului, au dezvoltat o metodă de cuplare a rezonatorului mecanic microscopic la un qubit supraconductor. Un qubit este un circuit electric capabil să stocheze informație cuantică și, în această configurație, a servit și drept detector.

„A trebuit să dezvoltăm continuu procese noi pentru a face ca acest obiect vibrator, cu o durată de viață extrem de lungă, să funcționeze și apoi să-l integrăm cu qubitul, micul nostru detector electric -- fără a deteriora niciunul dintre cele două subsisteme”, a declarat Makihara, proaspăt absolvent de doctorat al Universității Stanford.

Qubitul verifică în mod repetat rezonatorul mecanic pe durata celor două milisecunde de vibrație, determinând dacă fononul se află în starea de energie 1 sau 0. Repetând măsurătorile iar și iar, cercetătorii pot identifica cu precizie momentul în care are loc saltul cuantic.

În direcția calculului cuantic și a senzorilor ultrasensibili

Cercetătorii consideră această activitate un pas timpuriu, dar important, către tehnologii care folosesc sunetul ca platformă cuantică.

O posibilă aplicație este corectarea erorilor cuantice. În cele din urmă, calculatoarele cuantice ar putea rezolva anumite probleme complexe care depășesc capacitățile calculatoarelor convenționale, însă stările lor cuantice sunt extrem de fragile. Erorile pot apărea înainte de finalizarea unui calcul.

În multe sisteme de calcul cuantic, un salt cuantic poate indica faptul că a apărut o eroare. Detectarea acestor salturi a fost dificilă, astfel încât capacitatea de a le monitoriza în sunet ar putea oferi un nou instrument important pentru identificarea și corectarea erorilor cuantice.

Combinația dintre rezonatorul mecanic și qubit ar putea deveni, de asemenea, o platformă de măsurare extrem de sensibilă. Grupul lui Safavi-Naeini colaborează deja cu echipa fizicianului Michael Roukes de la Caltech pentru a explora dacă sistemul ar putea fi utilizat la detectarea și identificarea proteinelor din interiorul celulelor.

Un control mai bun al sunetului

În cele din urmă, progresul ar putea avea aplicații dincolo de tehnologiile cuantice specializate. Sunetul joacă un rol important în smartphone-uri și în multe alte dispozitive electronice, iar controlul tot mai precis al vibrațiilor ar putea contribui la noi generații ale acestor tehnologii, potrivit lui Szakiel, doctorand în prezent în laboratorul lui Safavi-Naeini.

„Acest lucru arată că putem avea un control incredibil de fin asupra sunetului, ceea ce ar putea însemna că dispozitivele care folosesc sunetul ca tehnologie fundamentală pot deveni mult mai bune”, a spus el.

Safavi-Naeini este, de asemenea, membru al Stanford Q-FARM și Bio-X.

Printre ceilalți coautori de la Stanford se numără David Schuster, profesorul Joan Reinhart și profesor de fizică aplicată la H&S; Shannon Harvey, cercetător la SLAC National Accelerator Laboratory; Mihir Pendharkar, cercetător științific în domeniul fizicii la Edward L. Ginzton Laboratory; fosta cercetătoare doctorală în fizică aplicată Rachel Gruenke-Freudenstein; precum și Oliver Hitchcock, Matthew Maksymowych și Kaveh Pezeshki, cercetători doctoranzi în fizică aplicată.

Această cercetare a beneficiat de sprijinul Amazon Web Services Inc., al Air Force Office of Scientific Research, al Office of Naval Research, al National Science Foundation, al Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada și al U.S. Department of Defense.