Bilim insanları ilk kez sesin kuantum durumları arasında sıçramasını izledi

Stanford araştırmacıları, sesin gerçek zamanlı ilk kuantum sıçramalarını kaydetti; tek fononların bir enerji durumundan diğerine aniden yok olduğunu gözlemlediler. Bu çığır açan gelişme, kuantum bilişimi, hata düzeltme, yüksek hassasiyetli biyolojik sensörler ve yeni nesil ses tabanlı cihazlar için yeni yollar açabilir.

Stanford araştırmacıları, mekanik bir rezonatörde sesin kuantum sıçramalarını ilk kez doğrudan gözlemledi. Bu, yüz yılı aşkın bir geçmişe sahip kuantum fiziği araştırmaları dizisindeki en son dönüm noktası oldu.

Kuantum sıçramaları -- bir enerji durumundan diğerine gerçekleşen ani geçişler -- 1900'lerin başından beri kuantum teorisinin bir parçası. Araştırmacılar bunları ilk olarak 1986'da hapsedilmiş iyonlarda, ardından 2007'de ışığın temel parçacıkları olan fotonlarda gösterdi. Ancak ses, daha zor bir hedef olmayı sürdürdü. Stanford fizikçisi Amir Safavi-Naeini liderliğindeki bir ekip şimdi bu sıçramaları doğrudan kaydetti; bulgular Science dergisinde yayımlandı.

Stanford Beşeri Bilimler ve Fen Bilimleri Fakültesi'nde uygulamalı fizik doçenti olan Safavi-Naeini, "Bu çalışmanın gösterdikleri, sesle yeni kuantum teknolojileri geliştirme konusunda ilerlememizi sağlayacak. Titreşen nesnelerin kuantum davranışı sergileyebildiğini gördük; bu da kuantum bilişim ve algılama için gereken işlemlerin çoğunun ön koşuludur," dedi.

Sesin Kuantum Mekaniğine Uygun Davranışını Gözlemlemek

Işığın en küçük ayrık birimi fotondur. Sesin kuantum eşdeğeri, birçok atomun koordineli hareketini temsil eden fonondur.

Günlük yaşamda titreşim, sanki düzgün bir şekilde azalıyor gibi görünür. Örneğin çalan bir zil, ses kaybolana kadar giderek daha sessiz hale gelir. Kuantum ölçeğinde ise tablo çok farklıdır. Bir rezonatörün titreşim enerjisi sürekli olarak değil, daha önce iyonlarda ve fotonlarda gözlemlenen davranışa benzer şekilde, belirgin adımlarla değişir.

Önceki deneyler, sesin bu geçişleri yaşayabildiğine dair kanıtlar ortaya koymuştu. Yeni çalışma, tek tek fononların kuantum sıçramaları gerçekleştirirken gerçek zamanlı olarak doğrudan izlenmesiyle bir adım daha ileri gidiyor.

Alışılmadık Derecede Uzun Çınlama Süresine Sahip Mikroskobik Rezonatör

Deneyde kullanılan mekanik rezonatör, çip üretim teknikleriyle inşa edildi. Küçük boyutu, bu tür rezonatörlerin çoğunun karmaşık görevleri yerine getirmek üzere tek bir çip üzerine yerleştirilebilmesini potansiyel olarak mümkün kılıyor.

Cihazın ne kadar süre titreşmeye devam edebildiği kritik bir özellikti. Bir bakıma mikroskobik bir akort çatalı gibi çalışan rezonatör, iki milisaniye boyunca titreşebiliyor. Normal boyutlu bir akort çatalı titreşimleri sürdürme konusunda aynı göreli kapasiteye sahip olsaydı, birkaç saat boyunca çınlamaya devam ederdi.

Bu alışılmadık derecede uzun "çınlama süresi", araştırmacılara yüzlerce ölçüm toplamak için yeterli zaman verdi. Bu tekrarlanan okumalar, titreşimin kaybolduğu ve sesin 1 enerji durumundan 0'a sıçradığı anı belirlemelerini sağladı.

Hassas Bir Kuantum Durumunu Ölçmek

Deney ayrıca araştırmacıların kuantum mühendisliğinde uzun süredir var olan bir sorunu çözmesini gerektirdi: ölçülen hassas durumu bozmadan bir kuantum sisteminin içinde neler olduğunu ölçmek.

Çalışmanın eş birinci yazarları Takuma Makihara ve Erik Szakiel, mikroskobik mekanik rezonatörü süperiletken bir kübite bağlayan bir yöntem geliştirdi. Kübit, kuantum bilgisi depolayabilen bir elektrik devresidir ve bu düzende aynı zamanda dedektör görevi gördü.

Yakın zamanda Stanford'da doktorasını tamamlayan Makihara, "Bu son derece uzun ömürlü, titreşen nesneyi üretmek ve ardından hiçbir alt sistemi bozmadan onu küçük elektrikli dedektörümüz olan kübitle birleştirmek için sürekli yeni süreçler geliştirmek zorunda kaldık," dedi.

Kübit, iki milisaniyelik titreşimi boyunca mekanik rezonatörü tekrar tekrar kontrol ederek fononun 1 mi yoksa 0 mı enerji durumunda olduğunu belirliyor. Araştırmacılar bu ölçümleri tekrar tekrar yaparak kuantum sıçramasının tam olarak ne zaman gerçekleştiğini belirleyebiliyor.

Kuantum Bilişime ve Ultra Hassas Sensörlere Doğru

Araştırmacılar bu çalışmayı, sesi kuantum platformu olarak kullanan teknolojilere doğru atılmış erken fakat önemli bir adım olarak görüyor.

Olası uygulamalardan biri kuantum hata düzeltmedir. Kuantum bilgisayarlar sonunda geleneksel bilgisayarların erişemediği bazı karmaşık sorunları çözebilir, ancak kuantum durumları son derece hassastır. Bir hesaplama tamamlanmadan önce hatalar ortaya çıkabilir.

Birçok kuantum bilişim sisteminde kuantum sıçraması, bir hata meydana geldiğine işaret edebilir. Bu sıçramaları tespit etmek zor olduğundan, onları ses aracılığıyla izleyebilme yeteneği kuantum hatalarını belirlemek ve düzeltmek için önemli bir yeni araç sağlayabilir.

Mekanik rezonatör ile kübitin birleşimi, son derece hassas bir ölçüm platformuna da dönüşebilir. Safavi-Naeini'nin grubu, sistemin hücrelerin içindeki proteinleri tespit etmek ve tanımlamak için kullanılıp kullanılamayacağını araştırmak üzere Caltech'te fizikçi Michael Roukes'un ekibiyle şimdiden çalışıyor.

Ses Üzerinde Daha İyi Denetim

Szakiel'e göre bu ilerleme, sonunda özel kuantum teknolojilerinin ötesinde uygulamalara sahip olabilir. Ses, akıllı telefonlarda ve diğer birçok elektronik cihazda önemli bir rol oynuyor; titreşimler üzerindeki giderek daha hassas denetim de bu teknolojilerin yeni nesillerine katkıda bulunabilir. Szakiel, Safavi-Naeini'nin laboratuvarında halen doktora yapan bir öğrenci.

"Bu, ses üzerinde inanılmaz derecede hassas bir denetime sahip olabileceğimizi gösteriyor; bu da sesi temel bir teknoloji olarak kullanan cihazların çok daha iyi hale gelebileceği anlamına gelebilir," dedi.

Safavi-Naeini ayrıca Stanford Q-FARM ve Bio-X'in de üyesidir.

Stanford'dan diğer ortak yazarlar arasında Joan Reinhart Profesörü ve H&S'de uygulamalı fizik profesörü David Schuster; SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'nda bilim insanı Shannon Harvey; Edward L. Ginzton Laboratuvarı'nda fiziksel araştırma bilim insanı Mihir Pendharkar; eski uygulamalı fizik doktora bursiyeri Rachel Gruenke-Freudenstein; ve uygulamalı fizik doktora bursiyerleri Oliver Hitchcock, Matthew Maksymowych ve Kaveh Pezeshki yer alıyor.

Bu araştırma Amazon Web Services Inc., Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi, Deniz Araştırmaları Ofisi, Ulusal Bilim Vakfı, Kanada Doğa Bilimleri ve Mühendislik Araştırma Konseyi ve ABD (K) Savunma Bakanlığı tarafından desteklendi.