Stanford-fysiker observerar kvantsprång i ljud för första gången

Ett team av fysiker vid Stanford har dokumenterat den första direkta observationen av ett kvantsprång i ljud. De lyckades fånga det ögonblick då en enskild vibrationsenhet, en så kallad fonon, föll från en energinivå till en annan inuti en kristallstav i mikrochipstorlek. Resultaten, som publiceras i den vetenskapliga tidskriften Science, fullbordar en forskningslinje som sträcker sig mer än ett sekel tillbaka i tiden och öppnar nya vägar för kvantdatorer och kvantsensorer.science

En sekelgammal förutsägelse bekräftas äntligen i ljud

Kvantsprång, plötsliga och diskreta övergångar mellan energitillstånd, teoritiserades för första gången i början av 1900-talet. Forskare demonstrerade dem i fångade joner 1986 och i fotoner 2007, men ljud har förblivit utom räckhåll. Stanford-teamet, som leds av Amir Safavi-Naeini, biträdande professor i tillämpad fysik, byggde en mikroskopisk mekanisk resonator av litiumniobatkristall kopplad till en supraledande qubit som kunde kontrollera fononens energitillstånd hundratals gånger inom ett tidsfönster på två millisekunder.humsci.stanford

"Det som den här studien visar kommer att göra det möjligt för oss att gå vidare med att utveckla ny kvantteknologi med ljud", säger Safavi-Naeini. "Vi har sett att vibrerande objekt kan uppvisa kvantbeteende, vilket är en förutsättning för många av de operationer som krävs för kvantdatorer och kvantsensorer."humsci.stanford

Resonatorn vibrerar i ungefär 2,1 millisekunder. Det är så pass länge, noterar forskarna, att en stämgaffel i vanlig storlek med samma förmåga skulle ringa i timmar. Medförstaförfattarna Takuma Makihara och Erik Szakiel utvecklade en tillverkningsmetod som placerar kristallstaven endast 75 nanometer ovanför en supraledande krets, tillräckligt nära för att läsa av fonontillståndet utan att förstöra det. "Vi var tvungna att ständigt utveckla nya processer för att tillverka detta extremt långlivade, vibrerande objekt och sedan integrera det med qubiten, som är vår lilla elektriska detektor, utan att förstöra något av undersystemen", säger Makihara.earth+1

Från observation till felkorrigering

De praktiska tillämpningarna är omedelbara. I många kvantdatorarkitekturer representerar ett kvantsprång ett fel: information som läcker ut mitt under en beräkning. Att upptäcka när sådana fel uppstår har varit ett ständigt hinder för området. Stanfords enhet upptäcker inte bara förlusten utan lämnar också det återstående kvanttillståndet intakt, vilket är en förutsättning för felkorrigering i realtid.earth+1

Forskarlaget tillämpar redan plattformen utanför datorområdet. I samarbete med fysikern Michael Roukes grupp vid Caltech använder forskarna resonatorn för att försöka upptäcka och identifiera proteiner i celler. "Detta visar att vi kan ha en otroligt finjusterad kontroll över ljud, vilket kan innebära att enheter som använder ljud som en grundläggande teknologi kan bli mycket bättre", säger Szakiel.humsci.stanford

Härnäst planerar laboratoriet att bygga en enhet med två resonatorstavar på en gemensam qubit, där förlusten av en fonon från någon av stavarna skulle registreras som ett flaggat fel snarare än en tyst förvanskning. Det är ett steg närmare den arkitektur som felkorrigering kräver.earth