Για πρώτη φορά: Φυσικοί του Στάνφορντ παρατηρούν κβαντικό άλμα στον ήχο

Μια ομάδα φυσικών από το Πανεπιστήμιο Stanford κατέγραψε την πρώτη άμεση παρατήρηση ενός κβαντικού άλματος στον ήχο, συλλαμβάνοντας τη στιγμή που μια μοναδική μονάδα δόνησης, γνωστή ως φωνόνιο, έπεσε από ένα ενεργειακό επίπεδο σε ένα άλλο μέσα σε μια κρυστάλλινη ράβδο σε μέγεθος μικροτσίπ. Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science, ολοκληρώνουν μια ερευνητική πορεία που ξεκίνησε πριν από περισσότερο από έναν αιώνα και ανοίγουν νέους δρόμους για την κβαντική υπολογιστική και την ανίχνευση.science

Μια πρόβλεψη ενός αιώνα επιβεβαιώνεται επιτέλους στον ήχο

Τα κβαντικά άλματα, δηλαδή οι ξαφνικές, διακριτές μεταβάσεις μεταξύ ενεργειακών καταστάσεων, διατυπώθηκαν ως θεωρία για πρώτη φορά στις αρχές της δεκαετίας του 1900. Οι επιστήμονες τα απέδειξαν σε παγιδευμένα ιόντα το 1986 και σε φωτόνια το 2007, αλλά ο ήχος παρέμενε απρόσιτος. Η ομάδα του Stanford, με επικεφαλής τον αναπληρωτή καθηγητή εφαρμοσμένης φυσικής Amir Safavi-Naeini, κατασκεύασε έναν μικροσκοπικό μηχανικό αντηχητή από κρύσταλλο νιοβικού λιθίου σε συνδυασμό με ένα υπεραγώγιμο qubit, το οποίο μπορούσε να ελέγξει την ενεργειακή κατάσταση του φωνονίου εκατοντάδες φορές μέσα σε ένα παράθυρο δύο χιλιοστών του δευτερολέπτου.humsci.stanford

«Αυτό που δείχνει αυτή η μελέτη θα μας επιτρέψει να προχωρήσουμε στην ανάπτυξη νέων κβαντικών τεχνολογιών με τη χρήση του ήχου», δήλωσε ο Safavi-Naeini. «Είδαμε ότι τα δονούμενα αντικείμενα μπορούν να παρουσιάσουν κβαντική συμπεριφορά, η οποία αποτελεί προϋπόθεση για πολλές από τις λειτουργίες που απαιτούνται στην κβαντική υπολογιστική και την ανίχνευση».humsci.stanford

Ο αντηχητής δονείται για περίπου 2,1 χιλιοστά του δευτερολέπτου, χρόνος αρκετά μεγάλος, όπως σημείωσε η ομάδα, ώστε ένα διαπασών κανονικού μεγέθους με την ίδια ικανότητα να αντηχούσε για ώρες. Οι συν-πρώτοι συγγραφείς Takuma Makihara και Erik Szakiel ανέπτυξαν μια μέθοδο κατασκευής που τοποθετεί την κρυστάλλινη ράβδο μόλις 75 νανόμετρα πάνω από ένα υπεραγώγιμο κύκλωμα, αρκετά κοντά ώστε να διαβάζει την κατάσταση του φωνονίου χωρίς να την καταστρέφει. «Έπρεπε να αναπτύσσουμε συνεχώς νέες διαδικασίες για να φτιάξουμε αυτό το εξαιρετικά μακρόβιο, δονούμενο αντικείμενο και στη συνέχεια να το ενσωματώσουμε στο qubit, το οποίο είναι ο μικρός μας ηλεκτρικός ανιχνευτής, χωρίς να καταστρέψουμε κανένα από τα δύο υποσυστήματα», δήλωσε ο Makihara.earth+1

Από την παρατήρηση στη διόρθωση σφαλμάτων

Τα πρακτικά οφέλη είναι άμεσα. Σε πολλές αρχιτεκτονικές κβαντικών υπολογιστών, ένα κβαντικό άλμα αντιπροσωπεύει ένα σφάλμα, δηλαδή διαρροή πληροφοριών κατά τη διάρκεια του υπολογισμού. Η ανίχνευση του πότε συμβαίνουν τέτοια σφάλματα αποτελεί μόνιμο εμπόδιο για τον συγκεκριμένο τομέα. Η συσκευή του Stanford όχι μόνο εντοπίζει την απώλεια, αλλά αφήνει ανέπαφη την εναπομένουσα κβαντική κατάσταση, κάτι που αποτελεί προϋπόθεση για τη διόρθωση σφαλμάτων σε πραγματικό χρόνο.earth+1

Η ομάδα εφαρμόζει ήδη την πλατφόρμα και πέρα από την πληροφορική. Σε συνεργασία με την ομάδα του φυσικού Michael Roukes στο Caltech, οι ερευνητές χρησιμοποιούν τον αντηχητή για να προσπαθήσουν να ανιχνεύσουν και να ταυτοποιήσουν πρωτεΐνες μέσα στα κύτταρα. «Αυτό δείχνει ότι μπορούμε να έχουμε απίστευτα λεπτομερή έλεγχο του ήχου, πράγμα που σημαίνει ότι οι συσκευές που χρησιμοποιούν τον ήχο ως βασική τεχνολογία μπορούν να γίνουν πολύ καλύτερες», δήλωσε ο Szakiel.humsci.stanford

Στη συνέχεια, το εργαστήριο σχεδιάζει να κατασκευάσει μια συσκευή με δύο ράβδους αντηχητών σε ένα κοινό qubit, όπου η απώλεια ενός φωνονίου από οποιαδήποτε ράβδο θα καταγράφεται ως επισημασμένο σφάλμα και όχι ως σιωπηλή αλλοίωση, ένα βήμα πιο κοντά στην αρχιτεκτονική που απαιτεί η διόρθωση σφαλμάτων.earth