Bilim insanları sesin ilk kez kuantum sıçramaları yaptığını gözlemledi; bu durum kuantum hesaplama ve son derece hassas algılama için yeni bir pencere açıyor.
Stanford araştırmacıları sesin ilk gerçek zamanlı kuantum sıçramalarını kaydetti ve tek tek fononların bir enerji durumundan diğerine aniden kayboluşunu izledi. Bu atılım kuantum hesaplama, hata düzeltme, son derece hassas biyolojik sensörler ve yeni nesil ses tabanlı cihazlar için yeni yollar açabilir.
Stanford araştırmacıları bir mekanik rezonatörde sesin kuantum sıçramalarını ilk kez doğrudan gözlemledi; bu gelişme bir asırdan uzun süredir devam eden kuantum fiziği araştırmaları zincirinde en yeni kilometre taşı oldu.
Kuantum sıçramaları — bir enerji durumundan diğerine ani geçişler — 1900'lerin başından beri kuantum teorisinin parçası. Araştırmacılar bunları ilk kez 1986'da hapsedilmiş iyonlarda gösterdi, ardından 2007'de ışığın temel parçacıkları olan fotonlarda gösterdi. Ses ise daha zor bir hedef olarak kaldı. Stanford fizikçisi Amir Safavi-Naeini liderliğindeki bir ekip şimdi bu sıçramaları doğrudan kaydetti ve bulgular Science dergisinde yayımlandı.
Safavi-Naeini, Stanford Beşeri Bilimler ve Bilimler Okulu'nda uygulamalı fizik doçenti, "Bu çalışmanın gösterdiği şey, sesle yeni kuantum teknolojileri geliştirmeyi ileriye taşıma imkânı verecek" dedi. "Titreşen nesnelerin kuantum davranışı sergileyebileceğini gördük; bu da kuantum hesaplama ve algılama için gereken birçok işlemin ön koşulu."
Sesin Kuantum Mekanik Davranışını İzlemek
Işığın en küçük ayrık birimi fotondur. Sesin kuantum karşılığı fonondur ve birçok atomun koordineli hareketini temsil eder.
Günlük yaşamda titreşim kademeli olarak sönüyormuş gibi görünür. Örneğin çalan bir çan giderek kısılır ve ses kaybolur. Kuantum ölçeğinde tablo çok farklıdır. Bir rezonatörün titreşim enerjisi sürekli değil, belirgin adımlarla değişir; bu davranış daha önce iyonlarda ve fotonlarda gözlenen davranışa benzer.
Daha önceki deneyler sesin bu geçişlere uğrayabileceğine dair kanıt üretmişti. Yeni çalışma, tek tek fononları gerçek zamanlı olarak kuantum sıçramaları yaparken doğrudan izleyerek bir adım daha ileri gidiyor.
Olağanüstü Uzun Süreli Çınlamalı Mikroskobik Bir Rezonatör
Deneyde kullanılan mekanik rezonatör çip üretim teknikleriyle üretildi. Küçük boyutu, bu tür birçok rezonatörün karmaşık görevleri yerine getirmek üzere tek bir çip üzerine yerleştirilebileceği anlamına geliyor.
Kritik özellik cihazın titreşmeye devam edebilme süresiydi. Mikroskobik bir diyarak gibi davranan rezonatör iki milisaniye boyunca titreşebiliyor. Normal boyutlu bir diyarak aynı oranda titreşim sürdürebilme yeteneğine sahip olsaydı, birkaç saat boyunca çınlamaya devam ederdi.
Bu olağanüstü uzun "sönüm süresi", araştırmacıların yüzlerce ölçüm yapmasına yetecek zamanı sağladı. Bu tekrarlı okumalar, titreşimin kaybolduğu ve sesin 1 enerji durumundan 0'a sıçradığı anın belirlenmesini mümkün kıldı.
Kırılgan Bir Kuantum Durumunu Ölçmek
Deney aynı zamanda araştırmacıların kuantum mühendisliğinde uzun süredir var olan bir sorunu çözmesini gerektirdi: ölçülen kırılgan durumu bozmadan kuantum sisteminin içinde neler olduğunu ölçmek.
Çalışmanın eş birinci yazarları Takuma Makihara ve Erik Szakiel, mikroskobik mekanik rezonatörü süperiletken bir kübite bağlama yöntemi geliştirdi. Kübit, kuantum bilgisini depolayabilen bir elektrik devresidir ve bu düzende aynı zamanda dedektör olarak görev yaptı.
Yakın zamanda Stanford'dan doktora derecesi alan Makihara, "Bu son derece uzun ömürlü titreşen nesneyi üretmek için sürekli yeni süreçler geliştirmek zorunda kaldık ve ardından onu, küçük elektrik dedektörümüz olan kübit ile entegre ettik — her iki alt sistemi de bozmayacak şekilde" dedi.
Kübit, titreşimin iki milisaniyelik süresi boyunca mekanik rezonatörü tekrar tekrar kontrol ediyor ve fononun enerji durumunun 1 mi yoksa 0 mı olduğunu belirliyor. Bu ölçümleri defalarca yaparak araştırmacılar kuantum sıçramasının tam olarak ne zaman gerçekleştiğini tespit edebiliyor.
Kuantum Hesaplama ve Ultra Hassas Sensörlere Doğru
Araştırmacılar bu çalışmayı sesi kuantum platformu olarak kullanan teknolojilere doğru atılmış erken ama önemli bir adım olarak görüyor.
Potansiyel uygulamalardan biri kuantum hata düzeltmesidir. Kuantum bilgisayarlar sonunda geleneksel bilgisayarların erişemeyeceği bazı karmaşık problemleri çözebilir, ancak kuantum durumları son derece kırılgandır. Bir hesaplama tamamlanmadan önce hatalar ortaya çıkabilir.
Birçok kuantum bilgisayar sisteminde bir kuantum sıçraması bir hatanın meydana geldiğini gösterebilir. Bu sıçramaları tespit etmek zor olmuştur; bu yüzden onları seste izleyebilmek, kuantum hatalarını tanımlamak ve düzeltmek için önemli yeni bir araç sağlayabilir.
Mekanik rezonatör ve kübit kombinasyonu aynı zamanda son derece hassas bir ölçüm platformu haline gelebilir. Safavi-Naeini'nin grubu, sistemin hücre içindeki proteinleri tespit etmek ve tanımlamak için kullanılıp kullanılamayacağını araştırmak üzere fizikçi Michael Roukes'in Caltech'teki ekibiyle birlikte çalışıyor.
Sesin Daha İyi Kontrolü
Bu ilerleme sonunda uzmanlaşmış kuantum teknolojilerinin ötesinde uygulamalara sahip olabilir. Ses akıllı telefonlarda ve birçok diğer elektronik cihazda önemli bir rol oynuyor ve titreşimler üzerinde giderek daha hassas kontrol, Szakiel'e göre bu teknolojilerin yeni nesillerine katkıda bulunabilir. Szakiel, Safavi-Naeini'nin laboratuvarında halen doktora öğrencisi.
"Bu, ses üzerinde inanılmaz derecede ince ayarlı kontrol sağlayabileceğimizi gösteriyor; bu da sesi temel teknoloji olarak kullanan cihazların çok daha iyi hale gelebileceği anlamına gelebilir" dedi.
Safavi-Naeini aynı zamanda Stanford Q-FARM ve Bio-X üyesidir.
Ek Stanford ortak yazarları arasında H&S'de uygulamalı fizik profesörü ve Joan Reinhart Profesörü David Schuster; SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'ndan bilim insanı Shannon Harvey; Edward L. Ginzton Laboratuvarı'nda fiziksel araştırma bilim insanı Mihir Pendharkar; eski uygulamalı fizik doktora araştırmacısı Rachel Gruenke-Freudenstein; ve uygulamalı fizik doktora öğrencileri Oliver Hitchcock, Matthew Maksymowych ve Kaveh Pezeshki bulunuyor.
Bu araştırma Amazon Web Services Inc., Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi, Deniz Araştırma Ofisi, Ulusal Bilim Vakfı, Kanada Doğal Bilimler ve Mühendislik Araştırma Konseyi ve ABD Savunma Bakanlığı tarafından desteklendi.
Safavi-Naeini ve Schuster her ikisi de Amazon Scholars'dır.
