پژوهشگران دانشگاه استنفورد برای اولین بار به طور مستقیم پرش های کوانتومی صوت را در یک تشدیدگر مکانیکی مشاهده کردند. این دستاورد جدیدترین نقطه عطف در زنجیره‌ای از پژوهش‌های فیزیک کوانتوم محسوب می‌شود که قدمتی بیش از یک قرن دارند.

دانشمندان دانشگاه استفورد برای اولین بار پرش های کوانتومی صوت را در زمان واقعی مشاهده کردند و دیدند که فونون های منفرد به طور ناگهانی بین حالتهای انرژی تغییر میکنند. تصویر از: AI/ScienceDaily.com

پرش های کوانتومی، یعنی گذارهای ناگهانی از یک حالت انرژی به حالت دیگر، از اوایل دهه 1900 بخشی از نظریه کوانتومی شده اند. پژوهشگران ابتدا آنها را در سال 1986 در یون های به دام افتاده به نمایش گذاشتند و به دنبال آن در سال 2007 فوتون ها، ذرات بنیادی نور، را نشان دادند. با این وجود، صوت هدف دشوارتری باقی ماند. گروهی به رهبری امیر صفوی نائینی، فیزیکدان دانشگاه استنفورد، اکنون این پرش ها را مستقیما ثبت کرده و یافته ها را در مجله Science منتشر کرده است.

صفوی نائینی، دانشیار فیزیک کاربردی در دانشکده علوم انسانی و علوم استنفورد، می گوید: "آنچه این مطالعه نشان می دهد به ما امکان می دهد تا در توسعه فناوریهای کوانتومی جدید با صوت پیشرفت کنیم. ما دیده ایم که اجسام مرتعش می توانند رفتار کوانتومی از خود نشان دهند که پیش نیاز بسیاری از عملیات مورد نیاز محاسبات و حسگری کوانتومی است".

نگاه کنید صوت چگونه کوانتومی رفتار می کند

کوچکترین واحد گسسته نور، فوتون است. معادل کوانتومی برای صوت، فونون است که نشان دهنده حرکت هماهنگ بسیاری از اتم ها است.

در زندگی روزمره، به نظر می رسد که ارتعاش به آرامی محو می شود. برای مثال، صدای زنگ به تدریج آرام تر می شود تا زمانی که کاملا ناپدید شود. در مقیاس کوانتومی، تصویر بسیار متفاوت است. انرژی ارتعاشی یک تشدیدگر، به جای تغییر پیوسته در گام های مشخص تغییر می کند، بسیار شبیه رفتاری که قبلا در یون ها و فوتون ها مشاهده شده است.

آزمایشهای پیشین، شواهدی ارائه کرده بودند که نشان میداد که صوت می تواند این گذارها را تجربه کند. این مطالعه جدید با ردیابی مستقیم فونون های منفرد در حین انجام پرش های کوانتومی در در زمان واقعی، پا را فراتر گذاشته است.

یک تشدیدگر میکروسکوپی با حلقه ای به طور غیرمعمول بلند

تشدیدگر مکانیکی مورد استفاده در این آزمایش، با تکنیک های ساخت تراشه ساخته شده است. اندازه کوچک آن به این معنی است که تعداد زیادی از چنین تشدیدگرهایی به طور بالقوه می توانند روی یک تک تراشه قرار بگیرند تا کارهای پیچیده ای را انجام دهند.

یک ویژگی حیاتی این بود که دستگاه تا چه مدت می تواند به ارتعاش ادامه دهد. این تشدیدگر که تا حدودی مانند یک دیاپازون میکروسکوپی عمل می کند، می تواند به مدت دو میلی ثانیه ارتعاش کند. اگر یک دیاپازون با اندازه معمولی همین توانایی نسبی را برای حفظ ارتعاشات داشت، می توانست برای چندین ساعت به ارتعاش ادامه دهد.

آن "زمان زنگ زدن" به طور غیرمعمول طولانی، به پژوهشگران زمان کافی برای جمع آوری صدها اندازه گیری داد. اندازه گیری های مکرر به آنها اجازه داد تا لحظه ای را که ارتعاش ناپدید شد و صوت از یک حالت انرژی 1 به 0 پرش کرد، شناسایی کنند.

اندازه گیری یک حالت کوانتومی ظریف

این آزمایش همچنین مستلزم آن بود که پژوهشگران یک مشکل دیرینه در مهندسی کوانتومی را حل کنند: اندازه گیری آنچه درون یک سیستم کوانتومی رخ می دهد بدون ایجاد اختلال در حالت ظریفی که اندازه گیری می شود.

تاکوما ماکیهارا Takuma Makihara و اِریک سِزاکیل Erik Szakiel، نویسندگان مشترک این پژوهش، روشی را برای جفت شدگی این تشدیدگر مکانیکی میکروسکوپی با یک کیوبیت ابررسانا توسعه دادند. یک کیوبیت، یک مدار الکتریکی است که قادر به ذخیره اطلاعات کوانتومی است و در این چیدمان می تواند به عنوان آشکارساز نیز عمل کند.

ماکیهارا، فارغ التحصیل اخیر مقطع دکتری از دانشگاه استنفورد می گوید: "ما مجبور بودیم به طور پیوسته فرآیندهای جدیدی را به منظور ساخت این جسم مرتعش با طول عمر بسیار بالا توسعه دهیم و سپس آن را با کیوبیت که آشکارساز الکتریکی کوچک ما است، ادغام کنیم، بدون اینکه هیچ یک از زیرسیستم ها خراب شوند".

کیوبیت به طور مکرر این تشدیدگر مکانیکی را در طول ارتعاش دو میلی ثانیه ای آن، بررسی می کند و تعیین می کند که آیا فونون در حالت انرژی 1 است یا 0. با انجام مکرر این اندازه گیری ها، پژوهشگران می توانند به طور دقیق زمان وقوع پرش کوانتومی را شناسایی کنند.

به سوی محاسبات کوانتومی و حسگرهای فوق حساس

پژوهشگران این کار را به عنوان یک گام اولیه اما مهم به سوی فناوریهایی می دانند که از صوت به عنوان یک پلتفرم کوانتومی استفاده می کنند.

یک کاربرد بالقوه، تصحیح خطای کوانتومی است. کامپیوترهای کوانتومی می توانند در نهایت مسائل پیچیده معینی را که فراتر از دسترس کامپیوترهای معمول هستند، حل کنند، اما حالتهای کوانتومی آنها بسیار ظریف است. خطاها می توانند قبل از تکمیل محاسبه رخ دهند.

در بسیاری از سیستم های محاسبات کوانتومی، یک پرش کوانتومی می تواند علامت دهد که یک خطا رخ داده است. آشکارسازی این پرش ها دشوار بوده است، بنابراین توانایی نظارت بر آنها در صوت می تواند ابزار جدید و مهمی را برای شناسایی و تصحیح خطاهای کوانتومی فراهم کند.

ترکیب تشدیدگر مکانیکی و کیوبیت همچنین می تواند به یک پلتفرم اندازه گیری بسیار حساس تبدیل شود. گروه صفوی نائینی در حال حاضر با گروه فیزیکدان میخائیل روکِس Michael Roukes در کَلتِک همکاری می کند تا بررسی کند که آیا سیستم می تواند برای آشکارسازی و شناسایی پروتئین های درون سلولها مورد استفاده قرار گیرد یا خیر.

کنترل بهتر صوت

این پیشرفت ممکن است در نهایت کاربردهایی فراتر از فناوریهای کوانتومی تخصصی داشته باشد. به قول سِزاکیل، یک دانشجوی دکتری فعلی در آزمایشگاه صفوی نائینی، صوت نقش مهمی در تلفن های هوشمند و بسیاری از دستگاه های الکترونی دیگر ایفا می کند و کنترل بسیار دقیق تر ارتعاشات می تواند به نسل های جدیدی از این فناوریها کمک کند.

او می گوید: "این نشان می دهد که ما می توانیم کنترل فوق العاده دقیقی بر صوت داشته باشیم که می تواند به این معنی باشد که دستگاه هایی که از صوت به عنوان یک فناوری اساسی استفاده می کنند، می توانند بسیار بهتر شوند".

منبع:

For the first time, scientists watch sound jump between quantum states

ترجمه خبر: بهناز ساربانها