پرش کوانتومی بی‌درنگ در صدا برای اولین بار مشاهده شد

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

گروهی از دانشگاه استنفورد اولین مشاهده مستقیم جهش‌های کوانتومی صدا را در یک تشدیدگر مکانیکی ثبت کرده‌اند که یک کمان اکتشاف علمی را تکمیل می‌کند که بیش از 100 سال پیش آغاز شده بود.

جهش‌های کوانتومی - انتقال ناگهانی از یک حالت انرژی به حالت دیگر - از اوایل دهه 1900 نظریه‌پردازی شده است. دانشمندان اولین بار در سال 1986 این جهش ها را در یون های به دام افتاده و بعدا در فوتون ها، ذرات بنیادی نور، در سال 2007 نشان دادند.

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.

در حالی که یک واحد کوانتومی نور - کوچکترین قطعه گسسته ممکن آن - یک فوتون منفرد است، یک واحد کوانتومی صدا یا "فونون" حرکت هماهنگ گروه بزرگی از اتم ها را نشان می دهد.

برای حواس انسان، حرکت ارتعاشی ناشی از صدا، مانند آنچه در یک زنگ زده دیده می‌شود، به‌جای جهش ناگهانی به سمت سکون، به تدریج کاهش می‌یابد. با این حال، در سطح کوانتومی، انرژی ارتعاشی تشدیدگر در مراحل یا پرش‌های مجزا تغییر می‌کند، مشابه رفتار کوانتومی یون‌ها و فوتون‌ها. آزمایش‌های قبلی شواهدی از این جهش‌ها پیدا کرده بود، اما این مطالعه اولین مطالعه‌ای است که فونون‌های منفرد را نشان می‌دهد که پرش‌های کوانتومی را در زمان واقعی انجام می‌دهند.

تشدید کننده مکانیکی کوچک است اما با میکروسکوپ قابل مشاهده است و می توان آن را با استفاده از تکنیک های ساخت تراشه ساخت. اندازه آن همچنین آن را به عنوان نامزدی برای بسته بندی بسیاری از رزوناتورها بر روی یک تراشه برای انجام عملکردهای پیچیده تبدیل می کند.

مدت زمانی که تشدید کننده می تواند زنگ بزند، چیزی است که این پیشرفت را ممکن کرد. رزوناتور که مانند یک چنگال تنظیم میکروسکوپی کار می کند، می تواند به مدت دو میلی ثانیه ارتعاش کند. برای مقایسه، اگر همین قابلیت در یک چنگال تنظیم با اندازه معمولی یافت می شد، چندین ساعت زنگ می زد.

رزونانس طولانی تشدید کننده، یا "رینگ پایین"، زمان اجازه می دهد تا صدها قرائت برای تعیین لحظه ای که دیگر ارتعاش وجود ندارد و انرژی ارتعاشی جهش می کند - از حالت انرژی 1 به 0 انجام شود.

برای انجام این آزمایش، محققان باید بر یک چالش مداوم در مهندسی کوانتومی غلبه می‌کردند: چگونه می‌توان سیگنالی را از یک سیستم کوانتومی بدون ایجاد اختلال در وضعیت شکننده آن خارج کرد.

تاکوما ماکیهارا و اریک ساکیل، اولین نویسندگان این مطالعه، راهی برای جفت کردن تشدید کننده مکانیکی میکروسکوپی با یک کیوبیت ابررسانا، یک مدار الکتریکی که می‌تواند اطلاعات کوانتومی را ذخیره کرده و به عنوان آشکارساز عمل کند، ابداع کردند.

ماکیهارا، یکی از فارغ التحصیلان اخیر دکترای استنفورد، می گوید: «ما مجبور بودیم به طور مستمر فرآیندهای جدیدی را توسعه دهیم تا این شی 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 زیرسیستم ها را خراب کنیم.

کیوبیت می‌تواند آنچه را که در تشدیدگر مکانیکی اتفاق می‌افتد بخواند، و اساسا در طول دو میلی‌ثانیه ارتعاش مکرر بررسی می‌کند که آیا فونون در حالت انرژی 1 یا 0 قرار دارد. این روشی است که محققان می‌توانند لحظه وقوع پرش کوانتومی را ثبت کنند.

این مطالعه اولین گام اساسی را نشان می‌دهد، اما توانایی تشخیص پرش‌های کوانتومی صدا می‌تواند به تعدادی پیشرفت منجر شود.

به عنوان مثال می تواند به حل مشکل تصحیح خطا در محاسبات کوانتومی کمک کند. در حالی که محاسبات کوانتومی پتانسیل زیادی برای انجام برخی محاسبات پیچیده فراتر از ظرفیت رایانه‌های سنتی دارد، حالت‌های کوانتومی شکننده می‌توانند قبل از پایان محاسبات باعث خطا شوند. در بسیاری از معماری‌های محاسباتی کوانتومی، پرش کوانتومی یک خطا را نشان می‌دهد، اما شناسایی زمان وقوع آن مشکل بوده است. بنابراین توانایی تشخیص پرش های کوانتومی در صدا، گام مهمی در جهت تصحیح خطا است.

به دلیل اندازه کوچک و حساسیت بالا، ترکیب تشدید کننده مکانیکی و کیوبیت نیز می تواند برای سنجش بسیار دقیق استفاده شود. به عنوان مثال، تیم صفوی نائینی، با همکاری تیم فیزیکدان مایکل روکس در Caltech، در حال حاضر به دنبال استفاده از این پلت فرم برای شناسایی و شناسایی پروتئین های درون سلولی هستند.

فناوری‌های روزمره نیز می‌توانند سود ببرند. Szakiel، دانشجوی فعلی دکترا در آزمایشگاه صفوی-نائینی، گفت که صدا در گوشی‌های هوشمند و بسیاری از دستگاه‌های دیگر ضروری است و این پیشرفت می‌تواند گامی به سوی نسل بعدی این موارد باشد.

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.

تاکوما ماکیهارا و همکاران، پرش های کوانتومی صدا، علم (2026). DOI: 10.1126/science.aeh7535. www.science.org/doi/10.1126/science.aeh7535

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →