Ένα φαινόμενο που προβλέπεται από την κβαντομηχανική εδώ και περισσότερο από έναν αιώνα καταγράφηκε πλέον άμεσα στον ήχο. Ερευνητές του Stanford παρακολούθησαν σε πραγματικό χρόνο μεμονωμένα κβάντα μηχανικής δόνησης να πραγματοποιούν απότομες μεταβάσεις μεταξύ ενεργειακών καταστάσεων.
Η εργασία δημοσιεύθηκε στο Science και αποτελεί την πρώτη άμεση παρατήρηση κβαντικών αλμάτων του ήχου σε έναν μηχανικό συντονιστή. Το πείραμα δεν αφορά τον ήχο όπως τον ακούμε στην καθημερινότητα, αλλά τα φωνόνια, δηλαδή τα διακριτά κβάντα δόνησης ενός υλικού συστήματος.
Τι ακριβώς παρατήρησαν
Στον μακροσκοπικό κόσμο, αν χτυπήσουμε ένα διαπασών, η δόνησή του φαίνεται να εξασθενεί ομαλά μέχρι να σταματήσει. Στην κβαντική κλίμακα η ενέργεια δεν χρειάζεται να μεταβάλλεται με συνεχή τρόπο. Μπορεί να περνά από μια επιτρεπτή ενεργειακή κατάσταση σε μια άλλη με διακριτά άλματα.
Οι ερευνητές δημιούργησαν έναν εξαιρετικά μικρό μηχανικό συντονιστή με τεχνικές κατασκευής μικροκυκλωμάτων. Το σύστημα μπορούσε να διατηρεί τη δόνησή του για περίπου δύο χιλιοστά του δευτερολέπτου, χρόνος ιδιαίτερα μεγάλος για ένα τέτοιο κβαντικό σύστημα.
Αυτό έδωσε στους επιστήμονες τη δυνατότητα να πραγματοποιούν εκατοντάδες διαδοχικές μετρήσεις και να εντοπίζουν τη στιγμή κατά την οποία ένα φωνόνιο περνούσε από την πρώτη διεγερμένη κατάσταση στη θεμελιώδη κατάσταση.
Η ομάδα κατάφερε να προετοιμάσει καταστάσεις ενός φωνονίου με πιστότητα περίπου 85% και στη συνέχεια να παρακολουθήσει τις ασυνεχείς μεταβάσεις τους.
Πώς μέτρησαν κάτι τόσο εύθραυστο
Μία από τις μεγαλύτερες δυσκολίες στην κβαντική φυσική είναι ότι η ίδια η μέτρηση μπορεί να διαταράξει το σύστημα που επιχειρεί κανείς να παρατηρήσει.
Για να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα, οι επιστήμονες συνέδεσαν τον νανομηχανικό συντονιστή με ένα υπεραγώγιμο qubit. Το qubit λειτούργησε ως εξαιρετικά ευαίσθητος ανιχνευτής, επιτρέποντας επαναλαμβανόμενες μετρήσεις του αριθμού των φωνονίων χωρίς να καταστρέφεται άμεσα η κατάσταση που παρακολουθούσαν.
Έτσι μπορούσαν να ελέγχουν ξανά και ξανά αν ο συντονιστής βρισκόταν στην ενεργειακή κατάσταση 1 ή 0 και να καταγράφουν το χρονικό σημείο του κβαντικού άλματος.
Γιατί είναι σημαντικό για την κβαντική τεχνολογία
Η δυνατότητα παρακολούθησης τέτοιων μεταβάσεων μπορεί να αποδειχθεί χρήσιμη στην ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών. Οι κβαντικές καταστάσεις είναι εξαιρετικά ευαίσθητες και τα ανεπιθύμητα άλματα μπορούν να αποτελούν πηγή σφαλμάτων.
Αν ένα σύστημα μπορεί να εντοπίζει με ακρίβεια πότε συμβαίνει μια τέτοια αλλαγή, δημιουργούνται νέες δυνατότητες για τεχνικές διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων.
Οι μηχανικοί συντονιστές έχουν επίσης πλεονεκτήματα ως αισθητήρες επειδή μπορούν να κατασκευαστούν σε πολύ μικρές διαστάσεις και να αντιδρούν σε εξαιρετικά ασθενείς φυσικές επιδράσεις. Η ομάδα του Stanford διερευνά ήδη, σε συνεργασία με ερευνητές του Caltech, κατά πόσο παρόμοιες διατάξεις θα μπορούσαν στο μέλλον να χρησιμοποιηθούν ακόμη και για την ανίχνευση και αναγνώριση πρωτεϊνών μέσα σε κύτταρα.
Δεν σημαίνει ότι έρχονται άμεσα νέες συσκευές
Παρά τη σημασία του αποτελέσματος, πρόκειται για θεμελιώδες πείραμα φυσικής και όχι για έτοιμη τεχνολογία. Η λειτουργία του συστήματος απαιτεί εξαιρετικά ελεγχόμενες συνθήκες και πολύπλοκο εξοπλισμό.
Το επόμενο βήμα είναι να εξεταστεί πόσο αξιόπιστα μπορούν να ελέγχονται και να διατηρούνται τέτοιες μηχανικές κβαντικές καταστάσεις και εάν μπορούν να ενσωματωθούν σε μεγαλύτερα συστήματα χωρίς να χάνουν γρήγορα τις κβαντικές ιδιότητές τους.
Παρόλα αυτά, η άμεση παρατήρηση του φαινομένου δείχνει ότι ένα μηχανικό αντικείμενο που αποτελείται από μεγάλο αριθμό ατόμων μπορεί να ελεγχθεί σε επίπεδο μεμονωμένων κβάντων δόνησης, δημιουργώντας μια ακόμη πιθανή πλατφόρμα για την κβαντική τεχνολογία.
Η πρωτογενής μελέτη δημοσιεύθηκε στο Science: https://doi.org/10.1126/
