Eðlisfræðingar við Stanford greina skammtastökk í hljóði í fyrsta sinn

Hópur eðlisfræðinga við Stanford-háskóla hefur skráð fyrstu beinu athugunina á skammtastökki í hljóði. Þeir náðu því augnabliki þegar ein titringseining, kölluð hljóðeind (e. phonon), féll úr einu orkustigi í annað inni í örflögustórum kristalstaut. Niðurstöðurnar, sem birtar voru í vísindaritinu Science, ljúka rannsóknarferli sem teygir sig meira en öld aftur í tímann og opna nýjar leiðir fyrir skammtatölvun og skynjun.science

Aldargömul kenning loks staðfest í hljóði

Skammtastökk, sem eru skyndileg og afmörkuð umskipti milli orkustiga, voru fyrst sett fram sem kenning snemma á 20. öld. Vísindamenn sýndu fram á þau í fönguðum jónum árið 1986 og í ljóseindum árið 2007, en hljóð hafði hingað til verið handan seilingar. Stanford-teymið, undir forystu dósentsins í hagnýtri eðlisfræði Amir Safavi-Naeini, smíðaði smásætt vélrænt ómtæki úr litíumníóbat-kristal sem var tengt við ofurleiðandi skammtabita. Þetta tæki gat mælt orkuástand hljóðeindarinnar mörg hundruð sinnum innan tveggja millisekúndna glugga.humsci.stanford

„Það sem þessi rannsókn sýnir mun gera okkur kleift að halda áfram að þróa nýja skammtatækni með hljóði,“ sagði Safavi-Naeini. „Við höfum séð að titrandi hlutir geta sýnt skammtahegðun, sem er forsenda margra þeirra aðgerða sem þarf fyrir skammtatölvun og skynjun.“humsci.stanford

Ómtækið titrar í um 2,1 millisekúndu, sem er nógu langur tími, að sögn teymisins, til þess að venjulegur tónkvísl með sömu getu myndi hljóma í margar klukkustundir. Meðhöfundarnir Takuma Makihara og Erik Szakiel þróuðu framleiðsluaðferð þar sem kristalstauturinn er staðsettur aðeins 75 nanómetrum fyrir ofan ofurleiðandi rás, nógu nálægt til að lesa ástand hljóðeindarinnar án þess að eyðileggja það. „Við þurftum stöðugt að þróa nýja ferla til að búa til þennan einstaklega langlífa, titrandi hlut og samþætta hann síðan við skammtabitann, sem er litli rafskynjarinn okkar, án þess að skemma hvorugt undirkerfið,“ sagði Makihara.earth+1

Frá athugun til villuleðréttingar

Hagnýta gildið er augljóst. Í mörgum gerðum skammtatölva táknar skammtastökk villu, þar sem upplýsingar leka burt í miðjum útreikningi. Það hefur verið viðvarandi hindrun á þessu sviði að greina hvenær slíkar villur eiga sér stað. Stanford-tækið greinir ekki aðeins tapið heldur skilur eftir það skammtaástand sem eftir er óskert, sem er forsenda villuleðréttingar í rauntíma.earth+1

Teymið er þegar farið að nýta tæknina á öðrum sviðum en tölvun. Í samstarfi við hóp eðlisfræðingsins Michael Roukes hjá Caltech nota rannsakendurnir ómtækið til að reyna að greina og bera kennsl á prótín í frumum. „Þetta sýnir að við getum haft ótrúlega nákvæma stjórn á hljóði, sem gæti þýtt að tæki sem nota hljóð sem grunn tækni geti batnað til muna,“ sagði Szakiel.humsci.stanford

Næst á dagskrá rannsóknarstofunnar er að smíða tæki með tveimur ómtækjastautum á sameiginlegum skammtabita, þar sem tap á hljóðeind úr öðrum hvorum stautnum myndi skrást sem merkt villa frekar en ósýnileg spilling, sem er skrefi nær þeirri uppbyggingu sem villuleðrétting krefst.earth