Stanford-fysikere observerer kvantesprang i lyd for første gang

Et team av fysikere ved Stanford har dokumentert den første direkte observasjonen av et kvantesprang i lyd. De fanget øyeblikket da en enkelt vibrasjonsenhet, kjent som et fonon, falt fra ett energinivå til et annet inni en krystallstav på størrelse med en mikrochip. Funnene, som er publisert i tidsskriftet Science, fullfører en forskningslinje som strekker seg over hundre år tilbake i tid, og åpner nye veier for kvanteteknologi og sensorer.science

En hundre år gammel forutsigelse, endelig bekreftet i lyd

Kvantesprang, plutselige og diskrete overganger mellom energitilstander, ble først teoretisert på tidlig 1900-tall. Forskere demonstrerte dem i fangede ioner i 1986 og i fotoner i 2007, men lyd har forblitt utenfor rekkevidde. Stanford-teamet, ledet av førsteamanuensis i anvendt fysikk Amir Safavi-Naeini, bygde en mikroskopisk mekanisk resonator av litiumniobatkrystall koblet til en superledende qubit som kunne sjekke fononets energitilstand hundrevis av ganger i løpet av et vindu på to millisekunder.humsci.stanford

«Det denne studien viser, vil gjøre det mulig for oss å gå videre med å utvikle nye kvanteteknologier med lyd», sa Safavi-Naeini. «Vi har sett at vibrerende objekter kan utvise kvanteadferd, noe som er forutsetningen for mange av operasjonene som kreves for kvantedatamaskiner og sensorer.»humsci.stanford

Resonatoren vibrerer i omtrent 2,1 millisekunder, noe teamet påpekte er så lenge at en stemmegaffel i vanlig størrelse med samme evne ville ringt i timevis. Medforfatterne Takuma Makihara og Erik Szakiel utviklet en produksjonsmetode som plasserer krystallstaven bare 75 nanometer over en superledende krets, nært nok til å lese av fonontilstanden uten å ødelegge den. «Vi måtte kontinuerlig utvikle nye prosesser for å lage dette ekstremt langlivede, vibrerende objektet og deretter integrere det med qubiten, som er vår lille elektriske detektor, uten å ødelegge noen av undersystemene», sa Makihara.earth+1

Fra observasjon til feilretting

De praktiske konsekvensene er umiddelbare. I mange arkitekturer for kvantedatamaskiner representerer et kvantesprang en feil: informasjon som lekker ut midt i en beregning. Å oppdage når slike feil oppstår har vært en vedvarende hindring på feltet. Stanford-enheten oppdager ikke bare tapet, men lar den gjenværende kvantetilstanden forbli intakt, noe som er en forutsetning for feilretting i sanntid.earth+1

Teamet bruker allerede plattformen til mer enn bare databehandling. I samarbeid med fysiker Michael Roukes' gruppe ved Caltech bruker forskerne resonatoren til å prøve å oppdage og identifisere proteiner i celler. «Dette viser at vi kan ha en utrolig finjustert kontroll over lyd, noe som kan bety at enheter som bruker lyd som en grunnleggende teknologi, kan bli mye bedre», sa Szakiel.humsci.stanford

Neste steg for laboratoriet er å bygge en enhet med to resonatorstaver på en felles qubit, der tapet av et fonon fra en av stavene vil registreres som en markert feil i stedet for en umerket feil, et skritt nærmere arkitekturen som feilretting krever.earth