Stanfordin fyysikot havaitsivat äänen kvanttihypyn ensimmäistä kertaa

Stanfordin yliopiston fyysikkoryhmä on tehnyt ensimmäisen suoran havainnon äänen kvanttihypystä. He onnistuivat tallentamaan hetken, jona yksittäinen värähtely-yksikkö, fononi, putosi energiatasolta toiselle sirun kokoisessa kristallitangossa. Science-tiedelehdessä julkaistut tulokset saattavat päätökseen yli vuosisadan kestäneen tutkimuslinjan ja avaavat uusia uria kvanttilaskennalle ja -mittaukselle.science

Vuosisadan vanha ennuste vahvistettiin vihdoin äänessä

Kvanttihypyt, eli äkilliset ja erilliset siirtymät energiatilojen välillä, ennustettiin teoreettisesti jo 1900-luvun alussa. Tutkijat osoittivat niiden olemassaolon loukussa olevilla ioneilla vuonna 1986 ja fotoneilla vuonna 2007, mutta ääni oli tähän asti pysynyt saavuttamattomissa. Stanfordin tutkimusryhmä, jota johti sovelletun fysiikan apulaisprofessori Amir Safavi-Naeini, rakensi litiumniobaattikristallista mikroskooppisen mekaanisen resonaattorin. Se yhdistettiin suprajohtavaan kubittiin, joka pystyi tarkistamaan fononin energiatilan satoja kertoja kahden millisekunnin aikaikkunassa.humsci.stanford

"Tämän tutkimuksen tulokset auttavat meitä etenemään uusien, ääntä hyödyntävien kvanttiteknologioiden kehittämisessä", Safavi-Naeini sanoi. "Olemme nähneet, että värähtelevät kappaleet voivat ilmentää kvanttikäyttäytymistä, mikä on edellytys monille kvanttilaskennassa ja -mittauksessa tarvittaville toiminnoille."humsci.stanford

Resonaattori värähtelee noin 2,1 millisekuntia. Tutkijat huomauttavat, että aika on niin pitkä, että vastaavalla ominaisuudella varustettu normaalikokoinen äänirauta soisi tuntikausia. Tutkimuksen pääkirjoittajiin kuuluvat Takuma Makihara ja Erik Szakiel kehittivät valmistusmenetelmän, jossa kristallitanko sijoitetaan vain 75 nanometrin etäisyydelle suprajohtavasta piiristä. Tämä on riittävän lähellä fononitilan lukemiseksi ilman sen tuhoamista. "Meidän oli jatkuvasti kehitettävä uusia prosesseja tämän erittäin pitkäikäisen, värähtelevän kappaleen valmistamiseksi ja sen integroimiseksi kubittiin, joka toimii pienenä sähköisenä ilmaisimena, vahingoittamatta kumpaakaan osajärjestelmää", Makihara sanoi.earth+1

Havainnoinnista virheenkorjaukseen

Käytännön merkitys on välitön. Monissa kvanttitietokoneiden arkkitehtuureissa kvanttihyppy merkitsee virhettä: tiedon karkaamista kesken laskennan. Tällaisten virheiden havaitseminen on ollut alalla pitkäaikainen este. Stanfordin laite ei ainoastaan havaitse katoamista, vaan jättää jäljellä olevan kvanttitilan ennalleen, mikä on edellytys reaaliaikaiselle virheenkorjaukselle.earth+1

Tutkimusryhmä soveltaa alustaa jo nyt myös laskennan ulkopuolella. Yhteistyössä Caltechin fyysikko Michael Roukesin ryhmän kanssa tutkijat yrittävät käyttää resonaattoria solujen sisäisten proteiinien havaitsemiseen ja tunnistamiseen. "Tämä osoittaa, että voimme hallita ääntä uskomattoman hienovaraisesti. Se voi tarkoittaa, että ääntä perusteknologiana käyttävät laitteet voivat parantua huomattavasti", Szakiel sanoi.humsci.stanford

Seuraavaksi laboratorio aikoo rakentaa laitteen, jossa on kaksi resonaattoritankoa yhteisellä kubitilla. Tällöin fononin katoaminen kummasta tahansa tangosta rekisteröityisi merkittynä virheenä hiljaisen korruptoitumisen sijaan. Tämä on askel lähemmäs virheenkorjauksen vaatimaa arkkitehtuuria.earth