Foto: AI/ScienceDaily.com

V laboratoři Stanfordské univerzity se odehrává něco, co by mohlo změnit budoucnost kvantové technologie. Zvuk, který běžně vnímáme jako plynulý a nepřetržitý, zde skáče mezi kvantovými stavy, a to poprvé v reálném čase. Tento objev by mohl otevřít dveře novým možnostem v oblasti kvantového počítání a ultra přesného měření.

Autor původního článku: redakce

První pohled na kvantové skoky zvuku

Vědci ze Stanfordu poprvé pozorovali kvantové skoky zvuku v mechanickém rezonátoru, což je milník v oblasti kvantové fyziky, která se zkoumá už více než století. Kvantové skoky, tedy náhlé přechody z jednoho energetického stavu do druhého, jsou součástí kvantové teorie od počátku 20. století. Poprvé byly demonstrovány na zachycených iontech v roce 1986 a následně na fotonech, základních částicích světla, v roce 2007. Zvuk však zůstával obtížnějším cílem, dokud tým vedený fyzikem Amirem Safavi-Naeinim nezaznamenal tyto skoky přímo, jak bylo publikováno v časopise Science.

Jak zvuk projevuje kvantové chování

Nejmenší diskrétní jednotkou světla je foton. Kvantovým ekvivalentem pro zvuk je fonon, který představuje koordinovaný pohyb mnoha atomů. V běžném životě se vibrace zdají mizet plynule. Například zvonící zvonek postupně utichá, dokud zvuk nezmizí. Na kvantové úrovni je však obraz velmi odlišný. Vibrace rezonátoru se mění v oddělených krocích, nikoli plynule, podobně jako chování pozorované dříve u iontů a fotonů.

Mechanický rezonátor s neobvyklou délkou zvonění

Mechanický rezonátor použitý v experimentu byl vyroben pomocí technik čipové výroby. Jeho malá velikost znamená, že mnoho takových rezonátorů by mohlo být umístěno na jednom čipu pro provádění složitých úkolů. Kritickým prvkem bylo, jak dlouho zařízení mohlo pokračovat ve vibraci. Chovalo se jako mikroskopická ladička, rezonátor může vibrovat po dobu dvou milisekund. Pokud by ladička normální velikosti měla stejnou relativní schopnost udržet vibrace, zvonila by několik hodin. Tato neobvykle dlouhá „doba dozvuku“ poskytla vědcům dostatek času na shromáždění stovek měření. Tato opakovaná měření jim umožnila identifikovat okamžik, kdy vibrace zmizela a zvuk skočil z energetického stavu 1 na 0.

Měření křehkého kvantového stavu

Experiment také vyžadoval, aby vědci vyřešili dlouhodobý problém v kvantovém inženýrství: měření toho, co se děje uvnitř kvantového systému, aniž by se narušil křehký stav, který je měřen. Takuma Makihara a Erik Szakiel, spoluautoři studie, vyvinuli metodu pro spojení mikroskopického mechanického rezonátoru s supravodivým qubitem. Qubit je elektrický obvod schopný ukládat kvantové informace a v tomto nastavení také sloužil jako detektor.

Směrem ke kvantovému počítání a ultra citlivým senzorům

Vědci vidí tuto práci jako raný, ale důležitý krok směrem k technologiím, které používají zvuk jako kvantovou platformu. Jednou z potenciálních aplikací je kvantová korekce chyb. Kvantové počítače by mohly nakonec řešit určité složité problémy, které jsou mimo dosah konvenčních počítačů, ale jejich kvantové stavy jsou extrémně křehké. Chyby mohou vzniknout před dokončením výpočtu. V mnoha systémech kvantového počítání může kvantový skok signalizovat, že došlo k chybě. Detekce těchto skoků byla obtížná, takže schopnost sledovat je ve zvuku by mohla poskytnout důležitý nový nástroj pro identifikaci a opravu kvantových chyb.

Lepší kontrola zvuku

Tento pokrok může mít nakonec aplikace i mimo specializované kvantové technologie. Zvuk hraje důležitou roli ve smartphonech a mnoha dalších elektronických zařízeních a stále přesnější kontrola nad vibracemi by mohla přispět k novým generacím těchto technologií, podle Szakiela, současného doktoranda v laboratoři Safavi-Naeiniho. „Toto ukazuje, že můžeme mít neuvěřitelně jemně vyladěnou kontrolu nad zvukem, což by mohlo znamenat, že zařízení, která používají zvuk jako základní technologii, se mohou výrazně zlepšit,“ řekl.

Safavi-Naeini je také členem Stanford Q-FARM a Bio-X. Mezi další spoluautory ze Stanfordu patří David Schuster, Joan Reinhart profesor a profesor aplikované fyziky v H&S; Shannon Harvey, vědec s SLAC National Accelerator Laboratory; Mihir Pendharkar, fyzikální výzkumný vědec v Edward L. Ginzton Laboratory; bývalá doktorandka aplikované fyziky Rachel Gruenke-Freudenstein; a Oliver Hitchcock, Matthew Maksymowych a Kaveh Pezeshki, doktorandi v aplikované fyzice. Tento výzkum získal podporu od Amazon Web Services Inc., Air Force Office of Scientific Research, Office of Naval Research, National Science Foundation, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada a U.S. Department of Defense. Safavi-Naeini a Schuster jsou oba Amazon Scholars.