Fyzikové ze Stanfordu poprvé pozorovali kvantový skok zvuku

Tým fyziků ze Stanfordovy univerzity poprvé přímo pozoroval kvantový skok zvuku. Vědci zachytili okamžik, kdy jediná jednotka vibrací, známá jako fonon, klesla z jedné energetické úrovně do druhé uvnitř krystalové tyčinky o velikosti mikročipu. Výsledky výzkumu, které zveřejnil časopis Science, završují více než sto let trvající bádání a otevírají nové možnosti pro kvantové počítače a senzory.science

Sto let stará předpověď se konečně potvrdila u zvuku

Kvantové skoky, tedy náhlé, diskrétní přechody mezi energetickými stavy, byly poprvé teoreticky popsány na počátku 20. století. Vědci je demonstrovali u zachycených iontů v roce 1986 a u fotonů v roce 2007, ale zvuk zůstával nedosažitelný. Stanfordův tým pod vedením docenta aplikované fyziky Amira Safavi-Naeiniho zkonstruoval mikroskopický mechanický rezonátor z krystalu niobátu lithného spojený se supravodivým qubitem, který dokázal zkontrolovat energetický stav fononu stokrát během dvoumilisekundového okna.humsci.stanford

„To, co tato studie ukazuje, nám umožní posunout se kupředu ve vývoji nových kvantových technologií využívajících zvuk,“ uvedl Safavi-Naeini. „Viděli jsme, že vibrující objekty mohou vykazovat kvantové chování, což je předpoklad pro mnoho operací potřebných pro kvantové výpočty a senzory.“humsci.stanford

Rezonátor vibruje přibližně 2,1 milisekundy. To je podle týmu dostatečně dlouhá doba na to, aby ladička běžné velikosti se stejnou schopností zněla celé hodiny. Spoluautoři studie Takuma Makihara a Erik Szakiel vyvinuli výrobní metodu, která umisťuje krystalovou tyčinku pouhých 75 nanometrů nad supravodivý obvod. To je dostatečně blízko na to, aby bylo možné přečíst stav fononu, aniž by došlo k jeho zničení. „Museli jsme neustále vyvíjet nové postupy, abychom vytvořili tento extrémně dlouho vibrující objekt a poté jej integrovali s qubitem, což je náš malý elektrický detektor, aniž bychom poškodili kterýkoli ze subsystémů,“ řekl Makihara.earth+1

Od pozorování k opravě chyb

Praktický význam je okamžitý. V mnoha architekturách kvantových počítačů představuje kvantový skok chybu, kdy informace uniká uprostřed výpočtu. Detekce okamžiku, kdy k takovým chybám dochází, byla pro tento obor trvalou překážkou. Stanfordské zařízení ztrátu nejen odhalí, ale ponechá zbývající kvantový stav neporušený, což je nezbytný předpoklad pro opravu chyb v reálném čase.earth+1

Tým již tuto platformu uplatňuje i mimo oblast výpočetní techniky. Ve spolupráci se skupinou fyzika Michaela Roukese na Caltechu vědci používají rezonátor k pokusům o detekci a identifikaci proteinů v buňkách. „To ukazuje, že můžeme mít neuvěřitelně přesnou kontrolu nad zvukem, což by mohlo znamenat, že zařízení využívající zvuk jako základní technologii se mohou výrazně zlepšit,“ řekl Szakiel.humsci.stanford

Dále laboratoř plánuje postavit zařízení se dvěma rezonátorovými tyčinkami na sdíleném qubitu. Ztráta fononu z kterékoli tyčinky by se pak registrovala jako nahlášená chyba, nikoli jako tiché poškození dat, což je krok blíže k architektuře, kterou vyžaduje oprava chyb.earth