دانشمندان برای اولین بار جهش صدا را بین حالت های کوانتومی تماشا کردند

محققان دانشگاه استنفورد برای اولین بار مستقیما جهش‌های کوانتومی صدا را در یک تشدیدگر مکانیکی مشاهده کردند که نشان‌دهنده آخرین نقطه عطف در خط تحقیقات فیزیک کوانتومی است که به بیش از یک قرن پیش می‌رسد.

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 آنها را در یون های به دام افتاده در سال 1986 نشان دادند و سپس فوتون ها، ذرات بنیادی نور را در سال 2007 نشان دادند. با این حال، صدا هدف دشوارتری باقی ماند. تیمی به سرپرستی امیر صفوی نائینی، فیزیکدان استانفورد، اکنون این جهش‌ها را مستقیما ثبت کرده و یافته‌های آن در Science منتشر شده است.

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 محاسبات و سنجش کوانتومی است.

کوچکترین واحد گسسته نور یک فوتون است. معادل کوانتومی صدا یک فونون است که حرکت هماهنگ بسیاری از اتم ها را نشان می دهد.

در زندگی روزمره، به نظر می رسد ارتعاش به آرامی محو می شود. برای مثال، یک زنگ به‌تدریج آرام‌تر می‌شود تا زمانی که صدا ناپدید شود. در مقیاس کوانتومی، تصویر بسیار متفاوت است. انرژی ارتعاشی یک تشدید کننده در مراحل مشخص به جای پیوسته تغییر می کند، دقیقا مانند رفتاری که قبلا در یون ها و فوتون ها مشاهده شده بود.

آزمایش‌های قبلی شواهدی را نشان می‌داد که صوت می‌تواند این تغییرات را متحمل شود. مطالعه جدید با ردیابی مستقیم فونون‌های تکی در حین انجام پرش‌های کوانتومی در زمان واقعی فراتر می‌رود.

تشدید کننده میکروسکوپی با یک حلقه غیرمعمول طولانی

تشدید کننده مکانیکی مورد استفاده در این آزمایش با تکنیک های ساخت تراشه ساخته شد. اندازه کوچک آن به این معنی است که بسیاری از این رزوناتورها به طور بالقوه می توانند روی یک تراشه قرار گیرند تا وظایف پیچیده ای را انجام دهند.

یکی از ویژگی های 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 به مدت دو میلی ثانیه ارتعاش کند. اگر یک چنگال تنظیم با اندازه معمولی همان توانایی نسبی برای حفظ ارتعاشات را داشت، برای چندین ساعت به زنگ زدن ادامه می داد.

آن "زمان چرخش" به طور غیرمعمول طولانی به محققان زمان کافی برای جمع آوری صدها اندازه گیری داد. این خوانش‌های مکرر به آن‌ها اجازه می‌داد لحظه‌ای را شناسایی کنند که لرزش ناپدید شد و صدا از حالت انرژی 1 به 0 پرید.

این آزمایش همچنین محققان را ملزم به حل یک مشکل طولانی مدت در مهندسی کوانتومی کرد: اندازه‌گیری آنچه در داخل یک سیستم کوانتومی اتفاق می‌افتد بدون ایجاد اختلال در حالت ظریف اندازه‌گیری شده.

تاکوما ماکیهارا و اریک ساکیل، اولین نویسندگان این مطالعه، روشی را برای جفت کردن تشدید کننده مکانیکی میکروسکوپی به یک کیوبیت ابررسانا توسعه دادند. کیوبیت یک مدار الکتریکی است که قادر به ذخیره اطلاعات کوانتومی است و در این تنظیمات به عنوان آشکارساز نیز عمل می کند.

ماکیهارا، یکی از فارغ‌التحصیل‌های اخیر دکترای استنفورد، می‌گوید: «ما مجبور بودیم به طور مداوم فرآیندهای جدیدی را توسعه دهیم تا این شیء 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 زیر سیستم‌ها را خراب کنیم.»

کیوبیت به طور مکرر تشدید کننده مکانیکی را در طول دو میلی ثانیه ارتعاش خود بررسی می کند و تعیین می کند که فونون در وضعیت انرژی 1 یا 0 قرار دارد. با انجام این اندازه گیری ها بارها و بارها، محققان می توانند دقیقا 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 تکمیل محاسبه، خطاها 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 بوده است، بنابراین توانایی نظارت بر آنها در صدا می تواند ابزار مهم جدیدی برای شناسایی و تصحیح خطاهای کوانتومی باشد.

ترکیب تشدید کننده مکانیکی و 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 درون سلول ها استفاده شود یا خیر.

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 دقیق و باورنکردنی صدا را داشته باشیم، که ممکن است به این معنی باشد که دستگاه‌هایی که از صدا به عنوان یک فناوری اساسی 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 استاد فیزیک کاربردی در H&S اشاره کرد. شانون هاروی، دانشمند آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC. Mihir Pendharkar، دانشمند تحقیقات فیزیکی در آزمایشگاه Edward L. Ginzton. راشل گرونکه-فرودنشتاین، محقق سابق دکترای فیزیک کاربردی؛ و الیور هیچکاک، متیو ماکسیموویچ و کاوه پزشکی، دانش پژوهان 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 هر دو از محققان آمازون هستند.

مواد ارائه شده توسط دانشگاه استنفورد. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.

آرتروز زانو اجتناب ناپذیر نیست: عادات ساده ممکن است خطر شما را کاهش دهد

انیشتین آن را "شعب آور" نامید. سرن به تازگی آن را در انرژی های شدید در برخورد دهنده بزرگ هادرونی پیدا کرده است

پاک کننده معطر مورد علاقه شما می تواند هوا را با آلودگی نامرئی پر کند

هورمون استرس، کورتیزول، مغز را دوباره سیم کشی می کند تا خاطرات عاطفی را تقویت کند