Un clopot lovit nu amuțește dintr-odată. Sunetul lui scade treptat până dispare. Așa pare să se comporte orice vibrație în viața de zi cu zi.
La scară cuantică, însă, vibrația refuză să se supună intuiției cotidiene: energia nu descrește continuu, ci coboară sacadat, ca pe niște trepte invizibile. Pentru prima dată, cercetătorii de la Universitatea Stanford au observat direct aceste tranziții bruște — salturile cuantice ale sunetului — într-un dispozitiv mecanic microscopic. Rezultatul, publicat în revista Science, deschide o perspectivă nouă asupra calculului cuantic și a senzorilor de o precizie extremă.
Salturile cuantice sunt tranziții bruște de la o stare energetică la alta și fac parte din teoria cuantică încă de la începutul anilor 1900. Cercetătorii le-au demonstrat mai întâi la ionii captați, în anul 1986, apoi la fotoni, particulele fundamentale ale luminii, în 2007. Pașii din vibrația rezonatorului seamănă foarte mult cu ce se observase la ioni și fotoni.
Sunetul a rămas însă o țintă mai dificilă. Experimentul echipei conduse de fizicianul Amir Safavi-Naeini, de la Stanford, marchează cea mai recentă etapă importantă într-un domeniu al fizicii cuantice cercetat de peste un secol.
Cea mai mică unitate discretă a luminii este fotonul — o particulă de sine stătătoare. Pentru sunet, echivalentul cuantic este fononul. Acesta nu este însă o particulă rătăcită prin vid, ci o cvasi-particulă: dansul sincronizat al trilioanelor de atomi care alcătuiesc o rețea solidă. Să izolezi un singur fonon înseamnă să detectezi vibrația minimă a acestui întreg colectiv atomic, o provocare experimentală formidabilă.
Experimente anterioare aduseseră deja dovezi că sunetul poate face astfel de tranziții. Noul studiu merge mai departe: urmărește direct, în timp real, fononii individuali pe măsură ce aceștia fac salturi cuantice.
„Ce arată acest studiu ne va permite să avansăm în dezvoltarea unor noi tehnologii cuantice bazate pe sunet. Am observat că obiectele care vibrează pot avea un comportament cuantic, iar aceasta e o condiție prealabilă pentru multe dintre operațiile necesare calculului și detecției cuantice”, a declarat Safavi-Naeini, profesor asociat de fizică aplicată în cadrul School of Humanities and Sciences de la Stanford.
Diapazonul microscopic: secretul celor două milisecunde de vibrație
Rezonatorul mecanic folosit în experiment a fost construit cu tehnicile de fabricare a cipurilor. Este atât de mic încât pe un singur cip ar putea fi plasate numeroase astfel de rezonatoare, ca să îndeplinească sarcini complexe.
Decisiv a fost însă cât de mult putea să vibreze dispozitivul. Rezonatorul funcționează oarecum ca un diapazon microscopic și poate vibra timp de 2 milisecunde. Un diapazon de dimensiuni obișnuite, cu aceeași capacitate relativă de a susține vibrațiile, ar continua să vibreze câteva ore.
Acest „timp de decădere” neobișnuit de lung le-a lăsat cercetătorilor răgazul să colecteze sute de măsurători. Citirile repetate le-au permis să surprindă exact clipa în care ultimul rest de sunet s-a stins: momentul în care sistemul a sărit de la starea 1 (prezența unui singur fonon) la starea 0 (repausul mecanic complet).
Microfonul cuantic: cum asculți un atom fără să-i distrugi vibrația
Cercetătorii au trebuit să rezolve și o problemă veche a ingineriei cuantice: cum poate fi măsurat ce se întâmplă în interiorul unui sistem cuantic fără a perturba starea delicată care e măsurată.
Takuma Makihara și Erik Szakiel, coautori principali ai studiului, au dezvoltat în acest scop o metodă de cuplare a rezonatorului mecanic microscopic la un qubit supraconductor. Qubitul e un circuit electric capabil să stocheze informație cuantică. În această configurație, el a servit și ca detector.
„A trebuit să dezvoltăm continuu noi procese ca să realizăm acest obiect care vibrează, cu o durată de viață extrem de lungă, și apoi să-l integrăm cu qubitul, micul nostru detector electric, fără să distrugem vreunul dintre subsisteme”, a declarat Makihara, proaspăt absolvent de doctorat la Stanford.
Pe durata celor două milisecunde de vibrație, qubitul verifică în mod repetat rezonatorul și stabilește dacă fononul se află în starea energetică 1 sau 0. Repetând aceste măsurători, cercetătorii pot identifica cu precizie momentul în care are loc saltul cuantic.
De la corectarea erorilor cuantice la proteinele din celule
Cercetătorii consideră lucrarea un pas incipient, dar important, spre tehnologii care folosesc sunetul drept platformă cuantică.
Una dintre aplicațiile posibile este corectarea erorilor cuantice. Calculatoarele cuantice ar putea, în cele din urmă, să rezolve anumite probleme complexe care depășesc puterile calculatoarelor convenționale. Stările lor cuantice sunt însă extrem de fragile, iar erorile pot apărea înainte ca un calcul să se încheie.
În arhitecturile cuantice, un salt energetic neașteptat semnalează adesea apariția unei erori de calcul — un eveniment microscopic extrem de greu de interceptat. Monitorizarea acestor tranziții prin unde sonore oferă un nou instrument de diagnosticare, capabil să identifice și să corecteze perturbațiile înainte ca datele fragile să fie compromise.
Descoperirea ar putea avea, în cele din urmă, aplicații și dincolo de tehnologiile cuantice specializate. Sunetul are un rol important în smartphone-uri și în multe alte dispozitive electronice. Potrivit lui Szakiel, doctorand în laboratorul lui Safavi-Naeini, un control tot mai precis asupra vibrațiilor ar putea contribui la dezvoltarea noilor generații ale acestor tehnologii.
„Acest lucru demonstrează că putem avea un control incredibil de precis asupra sunetului, ceea ce ar putea însemna că dispozitivele care folosesc sunetul ca tehnologie fundamentală pot deveni mult mai performante”, a spus el.
Combinația dintre rezonatorul mecanic și qubit ar putea deveni, de asemenea, o platformă de măsurare extrem de sensibilă. Grupul lui Safavi-Naeini colaborează deja cu echipa fizicianului Michael Roukes, de la Caltech. Împreună, cele două echipe explorează dacă sistemul ar putea fi folosit pentru a detecta și identifica proteine în interiorul celulelor. Privit prin această lentilă, sunetul își pierde continuitatea aparentă din viața de zi cu zi. Acolo unde urechea umană percepe doar un ecou care amuțește treptat, materia coboară de fapt o scară cuantică rigidă, stingându-și vibrația treaptă cu treaptă, până la liniștea absolută a stării zero.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
150.000 de tone de deșeuri radioactive au fost aruncate în Atlantic. Zeci de ani mai târziu, încă se poate vedea pericolul
Secretul unei vieți mai lungi ar putea fi ascuns în ADN-ul liliecilor: cum reacționează în fața cancerului
Prea mult ARN poate epuiza energia unei celule, au descoperit cercetătorii
SUA confirmă pentru prima dată că au desfășurat o armă în spațiu
