Фізики Стенфордського університету помітили, що невелика вібруюча структура втрачає одиницю звукової енергії під час раптового квантового стрибка. Відкриття може допомогти розвинути квантові обчислення та точне зондування.
Невеликий механічний резонатор, структура, яка вібрує, як камертон, дав дослідникам Стенфордського університету можливість ближче поглянути на те, як звук зникає в квантовому масштабі. Вони помітили, що він втрачає фонон, найменшу дискретну одиницю звуку, під час першого прямого спостереження квантового стрибка звуку.
Фонон представляє скоординований рух великої групи атомів, подібно до того, як фотон є квантом світла. Хоча дзвін дзвонить плавно, енергія коливань резонатора змінюється дискретними кроками. Цей раптовий перехід між енергетичними станами називається квантовим стрибком.
Квантові стрибки можуть вказувати на обчислювальні помилки
Про це повідомила команда на чолі зі Стенфордським фізиком Аміром Сафаві-Наїні Наука. Виявлення цих стрибків може допомогти дослідникам вирішити постійну проблему в квантових обчисленнях: розпізнати, коли під час розрахунку щось пішло не так.
Квантові комп’ютери мають здатність виконувати деякі складні обчислення, що перевершують можливості звичайних комп’ютерів, але їх делікатний квантовий стан може викликати помилки ще до того, як робота буде виконана. У багатьох архітектурах квантових обчислень квантовий стрибок є помилкою. Визначити, коли відбуваються ці стрибки, було важко, тому відстеження їх за допомогою звуку є кроком до їх виправлення.
Дві мілісекунди, щоб відстежити один фонон
Для проведення цих вимірювань потрібен був детектор, який міг би багаторазово досліджувати резонатор, не порушуючи його делікатний квантовий стан. Перші автори дослідження, Такума Макіхара та Ерік Сакіель, винайшли спосіб підключити резонатор до надпровідного кубіта, електричної схеми, яка може зберігати квантову інформацію та діяти як детектор.
«Нам доводилося постійно розробляти нові процеси, щоб створити цей неймовірно довгоживучий коливальний об’єкт, а потім об’єднати його з кубітом, який є нашим крихітним електричним детектором, не порушуючи жодної з підсистем», — сказав Макіхара, доктор філософії Стенфордського університету.
Здатність підтримувати вібрацію резонатора давала детектору достатньо часу для роботи. Він може здійснити дзвінок протягом двох мілісекунд, що відповідає кільком годинам розмови на звичайному телефоні з тією ж ємністю. Цей незвичайний «час дзвінка», коли вібрація слабшає, дозволив дослідникам зробити сотні показань.
Під час повторних тестів кубіт змінювався між станом з одним фононом і станом без будь-яких фононів. Відстежуючи показання з часом, дослідники могли визначити момент, коли резонатор переходить із стану 1-мітки в стан 0-мітки.
Результат розширює історію експериментів, яка налічує понад століття. Квантові стрибки були теоретизовані на початку 1900-х років, вперше продемонстровані в захоплених іонах у 1986 році, а пізніше спостерігалися у фотонах у 2007 році. Попередні звукові експерименти надали докази квантових стрибків, але не відстежували окремі стрибки безпосередньо в реальному часі.
Ідентифікувати білки всередині клітин
«Те, що показує це дослідження, дозволяє нам рухатися вперед у розробці нових квантових технологій зі звуком», — сказав Сафаві-Наїні, доцент кафедри прикладної фізики Стенфордської школи гуманітарних наук і наук. «Ми побачили, що вібруючі об’єкти можуть проявляти квантову поведінку, що є передумовою для багатьох операцій, необхідних для квантових обчислень і зондування».
Резонатор побудований за допомогою методів на чіпі та досить малий, щоб багато хто міг поміститися на одному чіпі для виконання складних завдань. Його невеликий розмір у поєднанні з чутливістю резонатора та системи кубітів також може підтримувати дуже точне зондування. Команда Сафаві-Наїні вже працює з групою фізика Майкла Рукса з Каліфорнійського технологічного інституту, щоб знайти спосіб виявлення та ідентифікації білків у клітинах за допомогою платформи.
Сакіель, докторант лабораторії Сафаві-Наїні, сказав, що цей прорив може зрештою допомогти покращити смартфони та інші повсякденні пристрої, які покладаються на звук.
«Це показує, що ми можемо мати неймовірно точний контроль звуку, що може означати, що пристрої, які використовують звук як базову технологію, можуть бути набагато кращими», — сказав він.
Довідка: «Квантові стрибки в звукі» Такума Макіхара, Ерік Сакіель, Метью П. Максимович, Олівер А. Хічкок, Каве Пезешкі, Рейчел Г. Грюнке-Фройденштайн, Міхір Пендхаркар, Шеннон П. Харві, Девід І. Шустер, А. Na2127 Наука.
DOI: 10.1126/science.aeh7535
Ніколи не пропустіть прорив: приєднуйтесь до інформаційного бюлетеня SciTechDaily.
Слідкуйте за нами в Google і Google News.
