محققان استنفورد برای اولین بار مستقیماً جهش‌های کوانتومی در صدا را در یک تشدیدگر مکانیکی مشاهده کرده‌اند که نشان‌دهنده آخرین نقطه عطف در خط تحقیقاتی در زمینه فیزیک کوانتومی است که بیش از یک قرن پیش می‌رود.
پرش های کوانتومی – انتقال ناگهانی از یک حالت انرژی به حالت دیگر – بخشی از نظریه کوانتومی از اوایل دهه 1900 بوده است. محققان اولین بار در سال 1986 آنها را در یون های به دام افتاده و سپس فوتون ها، ذرات بنیادی نور، در سال 2007 نشان دادند. با این حال، صدا همچنان هدف دشوارتری است. تیمی به سرپرستی امیر صفوی نائینی فیزیکدان استنفورد مستقیماً این جهش ها را ثبت کردند و یافته های آن در علم.
صفوی نائینی، دانشیار فیزیک کاربردی در دانشکده علوم انسانی و علوم استنفورد گفت: آنچه این مطالعه نشان می‌دهد به ما امکان می‌دهد تا با توسعه فناوری‌های کوانتومی جدید با صدا پیش برویم. ما دیده‌ایم که اجسام ارتعاشی می‌توانند رفتار کوانتومی از خود نشان دهند، که پیش‌نیاز بسیاری از عملیات‌های مورد نیاز برای محاسبات و سنجش کوانتومی است.»
مشاهده اینکه صدا چگونه به صورت مکانیکی کوانتومی رفتار می کند
کوچکترین واحد گسسته نور یک فوتون است. معادل کوانتومی صدا یک فونون است که حرکت هماهنگ بسیاری از اتم ها است.
در زندگی روزمره، به نظر می رسد ارتعاشات به آرامی محو می شوند. به عنوان مثال، یک زنگ به تدریج محو می شود تا زمانی که صدا ناپدید شود. در مقیاس کوانتومی، تصویر بسیار متفاوت است. انرژی ارتعاشی تشدید کننده در مراحل مجزا و نه پیوسته تغییر می کند، مشابه رفتاری که قبلا در یون ها و فوتون ها مشاهده شده بود.
آزمایش‌های قبلی شواهدی ارائه کرده‌اند که صوت می‌تواند این تغییرات را متحمل شود. تحقیقات جدید با ردیابی مستقیم فونون‌های تکی در حین انجام جهش‌های کوانتومی در زمان واقعی فراتر می‌رود.
تشدید کننده میکروسکوپی با یک حلقه غیرعادی طولانی
تشدید کننده مکانیکی مورد استفاده در آزمایش با استفاده از تکنیک های ساخت تراشه ساخته شد. اندازه کوچک آن به این معنی است که بسیاری از این رزوناتورها می‌توانند به طور بالقوه روی یک تراشه برای انجام کارهای پیچیده قرار گیرند.
یک ویژگی مهم این بود که دستگاه تا چه مدت می تواند به لرزش ادامه دهد. رزوناتور که تا حدودی مانند یک چنگال تنظیم میکروسکوپی عمل می کند، می تواند برای دو میلی ثانیه ارتعاش کند. اگر یک چنگال تنظیم با اندازه معمولی توانایی نسبی یکسانی برای حفظ ارتعاشات داشته باشد، برای چندین ساعت به زنگ زدن ادامه می‌دهد.
این “زمان خاموش” غیرمعمول طولانی به محققان زمان کافی برای جمع آوری صدها اندازه گیری داد. این خوانش‌های مکرر به آنها امکان می‌داد لحظه‌ای را شناسایی کنند که ارتعاشات ناپدید شده و صدا از حالت انرژی 1 به 0 پرید.
اندازه گیری حالت کوانتومی شکننده
این آزمایش همچنین محققان را ملزم به حل یک مشکل طولانی مدت در مهندسی کوانتومی کرد: اندازه گیری آنچه در یک سیستم کوانتومی اتفاق می افتد بدون ایجاد اختلال در حالت ظریف اندازه گیری شده.
Takuma Makihara و Erik Szakiel، نویسندگان مشترک این مطالعه، روشی را برای اتصال تشدید کننده مکانیکی میکروسکوپی به یک کیوبیت ابررسانا ایجاد کردند. کیوبیت یک مدار الکتریکی است که قادر به ذخیره اطلاعات کوانتومی است و در این تنظیمات به عنوان آشکارساز نیز عمل می کند.
ماکیهارا که اخیراً مدرک دکترای دانشگاه استنفورد را به پایان رسانده است، می‌گوید: «ما باید دائماً فرآیندهای جدیدی را توسعه می‌دادیم تا این جسم بسیار طولانی و ارتعاشی را بسازیم و سپس آن را با کیوبیت، که آشکارساز الکتریکی کوچک ما است، ادغام کنیم، بدون اینکه هیچ یک از زیرسیستم‌ها را خراب کنیم.»
کیوبیت به طور مکرر رزوناتور مکانیکی را در طول ارتعاشات دو میلی‌ثانیه‌ای خود کاوش می‌کند و تعیین می‌کند که فونون در حالت انرژی ۱ یا ۰ است. با انجام این اندازه‌گیری‌ها بارها و بارها، محققان می‌توانند دقیقاً زمان وقوع پرش کوانتومی را تشخیص دهند.
به سمت محاسبات کوانتومی و حسگرهای فوق حساس
محققان این کار را گامی اولیه اما مهم به سوی فناوری هایی می دانند که از صدا به عنوان یک پلت فرم کوانتومی استفاده می کنند.
یکی از کاربردهای بالقوه تصحیح خطای کوانتومی است. رایانه‌های کوانتومی در نهایت می‌توانند مشکلات پیچیده خاصی را حل کنند که از دسترس رایانه‌های معمولی خارج است، اما حالت‌های کوانتومی آنها بسیار شکننده است. ممکن است قبل از اتمام محاسبه، خطاهایی رخ دهد.
در بسیاری از سیستم‌های محاسباتی کوانتومی، یک پرش کوانتومی می‌تواند نشان دهد که یک خطا رخ داده است. تشخیص این پرش ها دشوار است، بنابراین توانایی مشاهده آنها در صدا می تواند ابزار مهم جدیدی برای شناسایی و تصحیح خطاهای کوانتومی باشد.
ترکیب یک تشدید کننده مکانیکی و یک کیوبیت نیز می تواند به یک پلت فرم اندازه گیری بسیار حساس تبدیل شود. گروه صفوی نائینی در حال حاضر با تیم فیزیکدان مایکل روکس در Caltech کار می کنند تا بررسی کنند که آیا این سیستم می تواند برای شناسایی و شناسایی پروتئین های داخل سلول ها استفاده شود یا خیر.
کنترل صدا بهتر است
این پیشرفت ممکن است در نهایت کاربردهایی فراتر از فناوری های تخصصی کوانتومی داشته باشد. به گفته ساکیل، دانشجوی فعلی دکترا در آزمایشگاه صفوی نائینی، صدا نقش مهمی در گوشی‌های هوشمند و بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی دیگر بازی می‌کند و کنترل دقیق‌تر روی ارتعاشات می‌تواند به نسل‌های جدید این فناوری‌ها کمک کند.
او گفت: «این نشان می‌دهد که ما می‌توانیم کنترل صدای بسیار دقیق و فوق‌العاده‌ای داشته باشیم، که می‌تواند به این معنی باشد که دستگاه‌هایی که از صدا به عنوان فناوری هسته استفاده می‌کنند، می‌توانند بسیار بهتر شوند.
صفوی نائینی همچنین عضو Stanford Q-FARM و Bio-X است.
از دیگر نویسندگان دیگر دانشگاه استنفورد می توان به دیوید شوستر، پروفسور جوآن راینهارت و پروفسور فیزیک کاربردی H&S اشاره کرد. شانون هاروی، دانشمند آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC؛ Mihir Pendharkar، دانشمند تحقیقات فیزیکی در آزمایشگاه Edward L. Ginston. دانشجوی سابق دکترای فیزیک کاربردی راشل گرونکه-فرودنشتاین. و الیور هیچکاک، متیو ماکسیموویچ و کاوه پزشکی، دانشجویان دکترای فیزیک کاربردی.
این تحقیق از شرکت خدمات وب آمازون، دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی، دفتر تحقیقات دریایی، بنیاد ملی علوم، شورای تحقیقات علوم طبیعی و مهندسی کانادا، و وزارت دفاع ایالات متحده پشتیبانی دریافت کرد.
صفوی نائینی و شوستر از همراهان آمازون هستند.
