Stenfordski naučnici osmotrili prvi kvantni skok zvuka u realnom vremenu

Stenfordski fizičari su demonstrirali da sićušne jedinice zvuka mogu iznenada promeniti energetska stanja, izvodeći kvantni skok. Ovo je dugo očekivano dostignuće sa potencijalom da unapredi niz tehnologija.

Dokumentovana je prva direktna opservacija kvantnih skokova zvuka u mehaničkom rezonatoru, čime su kompletirana naučna istraživanja započeta pre više od sto godina.

Preporučujemo

Kvantni skokovi — iznenadni prelazi iz jednog energetskog stanja u drugo — predmet su teorije od ranih 1900-ih. Naučnici su ove skokove prvo demonstrirali kod zarobljenih jona 1986, a kasnije kod fotona, osnovnih čestica svetlosti, 2007 godine. Posmatranje kvantnih skokova zvuka bilo je nedokučivo.

„Ono što ova studija pokazuje omogućiće nam da idemo napred u razvoju novih kvantnih tehnologija sa zvukom“, kažu fizičari sa Stenfordskog univerziteta. „Videli smo da vibrirajući objekti mogu ispoljavati kvantno ponašanje, što je preduslov za mnoge operacije potrebne za kvantno računarstvo i senzore“.

Dok kvantna jedinica svetlosti — njen najmanji mogući poseban deo — jeste pojedinačni foton, kvantna jedinica zvuka, ili „fonon“, predstavlja koordinirano kretanje velike grupe atoma.

Vibrirajuće kretanje zvuka, kao kad se udari zvono, ljudskim čulima deluje kao da se postepeno smanjuje, a ne da pravi nagli skok u mirovanje. Na kvantnom nivou, međutim, vibraciona energija rezonatora menja se u odvojenim koracima, ili skokovima, slično kvantnom ponašanju jona i fotona. Raniji eksperimenti su pronašli dokaze o ovim skokovima, ali je ova studija prva demonstrirala kako individualni fononi izvode kvantne skokove u realnom vremenu.

Veličina i tajming

Mehanički rezonator je napravljen pomoću tehnika za izradu čipova. Toliko je mali da bi se više rezonatora mogli staviti na čip radi obavljanja složenih funkcija.

Dužina vremena tokom koje rezonator može da „zvoni“ je ono što je omogućilo ovaj napredak. Funkcionišući poput mikroskopske zvučne viljuške, rezonator može da vibrira tokom dve milisekunde. Poređenja radi, kad bi ista sposobnost postojala kod zvučne viljuške regularne veličine, zvonila bi nekoliko sati.

Dugo zvučanje rezonatora omogućilo je da se izvrše stotine očitavanja da bi se utvrdio trenutak kad vibracija više nije prisutna i kad je zvuk skočio — prešao iz energetskog stanja 1 u 0.

Kontrola zvuka

Istraživači su morali da prevaziđu postojani problem u kvantnom inženjerstvu: kako izvući signal iz kvantnog sistema bez narušavanja njegovog krhkog stanja. Razvili su način da upare mikroskopski mehanički rezonator sa superprovodnim kubitom, električnim kolom koje može da skladišti kvantne informacije i služi kao detektor.

Kubit može da očita šta se dešava u mehaničkom rezonatoru, u suštini iznova proveravajući tokom dve milisekunde vibracije da li se fonon nalazi na energetskom nivou 1 ili 0. Tako istraživači mogu da registruju trenutak kad se kvantni skok dogodi.

Razvoj zvučne platforme

Ova studija predstavlja temeljni prvi korak, ali sposobnost detekcije kvantnih skokova zvuka mogla bi dovesti do niza napredovanja.

Mogla bi, na primer, pomoći u rešavanju problema korekcije grešaka u kvantnom računarstvu. Iako kvantno računarstvo ima veliki potencijal za obradu nekih složenih računica van kapaciteta tradicionalnih računara, krhka kvantna stanja mogu izazvati greške pre nego što se računica završi.

U mnogim kvantnim kompjuterskim arhitekturama, kvantni skok predstavlja grešku, ali je teško identifikovati kad se taj skok dogodi. Zato sposobnost detekcije kvantnih skokova u zvuku predstavlja važan korak za korekciju grešaka.

Zbog male veličine i visoke osetljivosti, kombinacija mehaničkog rezonatora i kubita bi takođe mogla da se koristi za izuzetno precizne senzore. Na primer, radi se na primeni ove platforme za detekciju i identifikaciju proteina unutar ćelija.

Svakodnevne tehnologije bi takođe mogle imati koristi. Zvuk je sastavni deo pametnih telefona i mnogih drugih uređaja i ovaj napredak bi mogao biti korak ka sledećoj generaciji ovih proizvoda.

„Možemo imati veoma preciznu kontrolu zvuka, što bi moglo da znači da uređaji koji koriste zvuk kao osnovnu tehnologiju mogu postati znatno bolji“, kažu istraživači.

(Telegraf Nauka/EurekAlert)