Stenfordo fizikai pirmą kartą užfiksavo kvantinį garso šuolį

Stenfordo fizikų komanda pirmą kartą tiesiogiai užfiksavo kvantinį garso šuolį: jie pagavo akimirką, kai viena vibracijos dalelė, vadinama fononu, mikroschemos dydžio kristale peršoko iš vieno energijos lygio į kitą. Šie atradimai, paskelbti žurnale „Science“, užbaigia daugiau nei šimtmetį trukusius ieškojimus ir atveria naujus kelius kvantinei kompiuterijai bei jutikliams.science

Šimtmečio senumo prognozė, pagaliau patvirtinta garse

Kvantiniai šuoliai, staigūs ir diskretūs perėjimai tarp energijos būsenų, pirmą kartą buvo teoriškai numatyti XX amžiaus pradžioje. Mokslininkai juos pademonstravo su sugautais jonais 1986 metais ir su fotonais 2007 metais, tačiau garsas ilgą laiką liko nepasiekiamas. Stenfordo komanda, vadovaujama taikomosios fizikos docento Amiro Safavi-Naeini, sukonstravo mikroskopinį mechaninį rezonatorių iš ličio niobato kristalo ir sujungė jį su superlaidžiuoju kubitu, kuris per dviejų milisekundžių langą galėjo šimtus kartų patikrinti fonono energinę būseną.humsci.stanford

„Tai, ką atskleidžia šis tyrimas, leis mums judėti į priekį kuriant naujas kvantines technologijas, naudojančias garsą,“ teigė A. Safavi-Naeini. „Pamatėme, kad vibruojantys objektai gali pasižymėti kvantiniu elgesiu, o tai yra būtina sąlyga daugeliui operacijų, reikalingų kvantinei kompiuterijai ir jutikliams.“humsci.stanford

Rezonatorius vibruoja apie 2,1 milisekundės. Komanda pažymėjo, kad tai yra pakankamai ilgai, nes tokio paties pajėgumo įprasto dydžio kamertonu garsas skambėtų valandų valandas. Bendraautoriai Takuma Makihara ir Erikas Szakielis sukūrė gamybos metodą, leidžiantį kristalo strypelį patalpinti vos 75 nanometrai virš superlaidžiosios grandinės: pakankamai arti, kad būtų galima nuskaityti fonono būseną jos nesunaikinant. „Turėjome nuolat kurti naujus procesus, kad pagamintume šį itin ilgaamžį, vibruojantį objektą, o tada integruotume jį su kubitu, mūsų mažuoju elektriniu detektoriumi, nesugadindami nė vienos posistemės,“ sakė T. Makihara.earth+1

Nuo stebėjimo iki klaidų taisymo

Praktinė šio atradimo reikšmė yra akivaizdi. Daugelyje kvantinės kompiuterijos architektūrų kvantinis šuolis reiškia klaidą, kai informacija nuteka skaičiavimų viduryje. Tokių klaidų fiksavimas ilgą laiką buvo didelė kliūtis šioje srityje. Stenfordo įrenginys ne tik pastebi praradimą, bet ir palieka likusią kvantinę būseną nepaliestą, o tai yra būtina sąlyga klaidų taisymui realiuoju laiku.earth+1

Komanda jau taiko šią platformą ne tik kompiuterijoje. Bendradarbiaudami su fiziko Michaelo Roukeso grupe iš Caltech, tyrėjai naudoja rezonatorių, bandydami aptikti ir identifikuoti ląstelėse esančius baltymus. „Tai rodo, kad galime neįtikėtinai tiksliai valdyti garsą, o tai reiškia, kad įrenginiai, kuriuose garsas naudojamas kaip pagrindinė technologija, gali tapti daug pranašesni,“ sakė E. Szakielis.humsci.stanford

Toliau laboratorija planuoja sukurti įrenginį su dviem rezonatoriaus strypeliais ant bendro kubito, kur fonono praradimas bet kuriame strypelyje būtų užregistruotas kaip pažymėta klaida, o ne nepastebimas sugadinimas. Tai žingsnis arčiau architektūros, kurios reikalauja klaidų taisymas.earth