مشاهده مستقیم جهش کوانتومی صدا برای نخستینبار
پژوهشگران دانشگاه استنفورد برای نخستینبار توانستند جهشهای کوانتومی صدا را بهصورت مستقیم و در زمان واقعی در یک تشدیدگر مکانیکی مشاهده و ثبت کنند، دستاوردی که میتواند مسیر توسعه فناوریهای کوانتومی مبتنی بر صوت، از رایانش و حسگری کوانتومی تا فناوریهای صوتی نسل آینده را هموار کند.
به گزارش گروه ترجمه خبرگزاری برنا به نقل فیزیکس او آر جی، جهش کوانتومی به انتقال ناگهانی یک سامانه از یک حالت انرژی به حالت دیگر گفته میشود؛ پدیدهای که از اوایل قرن بیستم در نظریههای فیزیک کوانتومی مطرح بوده است. دانشمندان نخستینبار در سال ۱۹۸۶ موفق به نمایش این جهشها در یونهای بهدامافتاده شدند و در سال ۲۰۰۷ نیز نمونههایی از آن را در فوتونها یعنی ذرات بنیادی نور، مشاهده کردند. با این حال مشاهده مستقیم جهشهای کوانتومی صدا تا پیش از این دستنیافتنی باقی مانده بود.
اکنون گروهی به سرپرستی امیر صفوینائینی، فیزیکدان دانشگاه استنفورد توانسته است این پدیده را در یک تشدیدگر مکانیکی ثبت کند. نتایج این پژوهش در مجله Science منتشر شده است.
صفوینائینی، دانشیار فیزیک کاربردی در دانشکده علوم انسانی و علوم دانشگاه استنفورد درباره اهمیت این دستاورد گفت: آنچه این مطالعه نشان میدهد، به ما امکان میدهد توسعه فناوریهای کوانتومی جدید مبتنی بر صدا را پیش ببریم. ما نشان دادهایم که اجسام در حال ارتعاش میتوانند رفتار کوانتومی از خود نشان دهند؛ موضوعی که پیشنیاز بسیاری از عملیات مورد نیاز در رایانش و حسگری کوانتومی است.
فونون؛ کوچکترین واحد کوانتومی صدا
در فیزیک کوانتومی کوچکترین واحد گسسته نور فوتون نام دارد اما برای صدا از مفهوم فونون استفاده میشود. فونون برخلاف فوتون یک ذره بنیادی مستقل به معنای متعارف نیست بلکه واحد کوانتومی یک ارتعاش جمعی است که حرکت هماهنگ گروه بزرگی از اتمها را توصیف میکند.
در دنیای روزمره وقتی مثلاً زنگی به صدا درمیآید، به نظر میرسد شدت ارتعاش آن بهتدریج کاهش مییابد و در نهایت متوقف میشود، اما در مقیاس کوانتومی، انرژی ارتعاشی یک تشدیدگر مکانیکی میتواند در گامهای گسسته تغییر کند.
به بیان دیگر ارتعاش بهجای آنکه صرفا بهصورت پیوسته کاهش پیدا کند میتواند بین حالتهای انرژی مشخص جابهجا شود. در این آزمایش پژوهشگران توانستند برای نخستینبار جهش یک فونون منفرد بین حالتهای کوانتومی را در زمان واقعی ثبت کنند.
آزمایشهای پیشین شواهدی از وجود چنین جهشهایی ارائه کرده بودند، اما مشاهده مستقیم و لحظهبهلحظه جهشهای فونونی تا پیش از این انجام نشده بود.
تشدیدگری که دو میلیثانیه به ارتعاش ادامه میدهد
یکی از عوامل کلیدی در موفقیت این آزمایش ویژگیهای تشدیدگر مکانیکی مورد استفاده پژوهشگران بود. این تشدیدگر بسیار کوچک است، اما با استفاده از میکروسکوپ قابل مشاهده است و میتوان آن را با روشهای مشابه فناوری ساخت تراشه تولید کرد.
ابعاد کوچک این سامانه اهمیت دیگری نیز دارد، زیرا در آینده میتوان تعداد زیادی از این تشدیدگرها را روی یک تراشه قرار داد و از آنها برای انجام عملکردهای پیچیده استفاده کرد.
اما ویژگی تعیینکننده تشدیدگر، مدتزمانی بود که میتوانست به ارتعاش ادامه دهد. این سامانه مانند یک دیاپازون میکروسکوپی عمل میکند و میتواند حدود ۲ میلیثانیه به ارتعاش خود ادامه دهد.
برای درک مقیاس این زمان پژوهشگران میگویند اگر یک دیاپازون معمولی در ابعاد روزمره میتوانست چنین عملکردی داشته باشد، ارتعاش آن بهجای دو میلیثانیه میتوانست چند ساعت ادامه پیدا کند.
همین زمان طولانیِ تشدید یا اصطلاحا ringdown به پژوهشگران فرصت داد تا در طول ارتعاش صدها بار وضعیت سامانه را اندازهگیری کنند و مشخص کنند چه زمانی ارتعاش دیگر وجود ندارد و انرژی ارتعاشی از یک حالت کوانتومی به حالت دیگر یعنی از حالت انرژی ۱ به ۰، جهش کرده است.
چالش اصلی؛ اندازهگیری بدون تخریب حالت کوانتومی
یکی از چالشهای همیشگی در مهندسی کوانتومی این است که چگونه میتوان اطلاعات را از یک سامانه کوانتومی دریافت کرد بدون آنکه فرآیند اندازهگیری باعث برهمزدن یا تخریب حالت ظریف کوانتومی آن شود.
پژوهشگران برای حل این مسئله تشدیدگر مکانیکی میکروسکوپی را با یک کیوبیت ابررسانا ترکیب کردند. کیوبیت ابررسانا یک مدار الکتریکی است که میتواند اطلاعات کوانتومی را ذخیره کند و در این آزمایش بهعنوان آشکارساز وضعیت تشدیدگر مورد استفاده قرار گرفت.
تاکوما ماکیهارا و اریک سزاکیل، نویسندگان همکار اول مقاله روشی را برای اتصال تشدیدگر مکانیکی به کیوبیت ابررسانا توسعه دادند.
ماکیهارا، دانشآموخته اخیر دکتری دانشگاه استنفورد درباره دشواری این فرآیند گفت: ما مجبور بودیم بهطور مداوم فرآیندهای جدیدی توسعه دهیم تا این جسم ارتعاشی با عمر بسیار طولانی را بسازیم و سپس آن را با کیوبیت یعنی آشکارساز الکتریکی کوچک خود یکپارچه کنیم، بدون اینکه هیچکدام از دو زیرسامانه را خراب کنیم.
کیوبیت در واقع امکان خوانش وضعیت تشدیدگر مکانیکی را فراهم میکند. این آشکارساز در طول حدود دو میلیثانیه ارتعاش بهطور مکرر بررسی میکند که فونون در حالت انرژی ۱ قرار دارد یا ۰.
تکرار این اندازهگیریها به پژوهشگران اجازه داد تا نقطهای را که در آن جهش کوانتومی رخ میدهد ثبت کنند.
گامی برای مقابله با خطا در رایانش کوانتومی
پژوهشگران تاکید میکنند که این مطالعه یک گام بنیادی و اولیه است، اما توانایی شناسایی جهشهای کوانتومی صدا میتواند در آینده کاربردهای متعددی داشته باشد.
یکی از مهمترین این کاربردها به تصحیح خطا در رایانش کوانتومی مربوط میشود. رایانههای کوانتومی ظرفیت انجام برخی محاسبات پیچیدهای را دارند که انجام آنها با رایانههای کلاسیک بسیار دشوار یا پرهزینه است، اما حالتهای کوانتومی بسیار ظریف هستند و ممکن است پیش از پایان یک محاسبه دچار خطا شوند.
در بسیاری از معماریهای رایانش کوانتومی یک جهش کوانتومی میتواند نشانه وقوع خطا باشد. مشکل اینجاست که شناسایی دقیق زمان وقوع این جهشها دشوار است؛ بنابراین توانایی مشاهده و تشخیص جهشهای کوانتومی در سامانههای صوتی میتواند گامی در مسیر توسعه روشهای جدید برای تشخیص و تصحیح خطاهای کوانتومی باشد.
حسگرهایی برای شناسایی پروتئینها در سلول
ترکیب تشدیدگر مکانیکی و کیوبیت ابررسانا تنها برای رایانش کوانتومی کاربرد ندارد. اندازه بسیار کوچک تشدیدگر و حساسیت بالای این سامانه میتواند آن را به بستری برای حسگری با دقت بسیار بالا تبدیل کند.
گروه صفوینائینی در همکاری با گروه مایکل روکس، فیزیکدان موسسه فناوری کالیفرنیا در حال بررسی استفاده از این پلتفرم برای شناسایی و تشخیص پروتئینها درون سلولها است.
چنین قابلیتی میتواند در آینده امکان بررسی دقیقتر فرآیندهای زیستی در مقیاس سلولی را فراهم کند و کاربردهای این فناوری را فراتر از حوزه محاسبات کوانتومی گسترش دهد.
احتمال تاثیرگذاری بر فناوریهای روزمره
به گفته پژوهشگران کاربردهای این فناوری الزاماً به آزمایشگاههای کوانتومی محدود نخواهد ماند. صدا و ارتعاش در بسیاری از فناوریهای روزمره از جمله گوشیهای هوشمند و طیف وسیعی از تجهیزات الکترونیکی نقش مهمی دارند.
اریک سزاکیل، دانشجوی دکتری آزمایشگاه صفوینائینی درباره چشمانداز این فناوری گفت: این پژوهش نشان میدهد که میتوانیم کنترل بسیار دقیقی بر صدا داشته باشیم و این موضوع میتواند به این معنا باشد که دستگاههایی که از صدا بهعنوان یک فناوری بنیادی استفاده میکنند، در آینده عملکرد بسیار بهتری داشته باشند.
به این ترتیب مشاهده مستقیم جهشهای کوانتومی فونونها نهتنها یک تایید تجربی مهم برای رفتار کوانتومی ارتعاشات مکانیکی محسوب میشود بلکه بستری برای بررسی و توسعه سامانههای کوانتومی مبتنی بر صدا فراهم میکند؛ سامانههایی که میتوانند در آینده در رایانش کوانتومی، تصحیح خطا، حسگری دقیق، زیستفناوری و فناوریهای صوتی مورد استفاده قرار گیرند.
انتهای پیام/
