Ljudpartiklar på kanten – nu har forskare fångat ljudet på bar gärning

Något hände nyligen på ett fysiklabb, och jag lovar att det är roligare än det låter (ingen ordvits den här gången, jag svär).

Forskare vid Stanford gjorde något som aldrig gjorts förut: de observerade enskilda ljudpartiklar göra kvantsprång i realtid. De satt bokstavligen där och såg ljud bete sig på ett sätt som Einstein hade tyckt var fascinerande.

Vad är ett kvantsprång egentligen?

Låt mig förklara, för namnet låter lite dramatiskt. Ett kvantsprång är i grunden när något pyttelitet – en atom, en foton, eller alltså nu en fonon – hoppar från en energinivå till en annan på nolltid. Ingen mjuk övergång, inget däremellan. Bara plötsligt befinner sig partikeln sig i ett annat energitillstånd.

Vi har vetat om dessa språng sedan tidigt 1900-tal, och forskare har observerat dem i fångade joner redan 1986 och i ljuspartiklar (fotoner) 2007. Men ljud? Ljudet vägrade envist avslöja sina kvantmekaniska hemligheter – fram till nu.

Lösningen på ljudproblemet

Här är grejen med ljud på kvantnivå. Vi pratar om "fononer", som i praktiken är de minsta möjliga enheterna av ljud. Tänk på dem som atomer för ljudvågor. En fonon representerar den koordinerade vibrationen hos en hel hop atomer som rör sig tillsammans i perfekt harmoni.

I vår vardagliga värld, när du ringer en klocka, bleknar ljudet gradvis bort. Det verkar ske smidigt, ungefär som att titta på sand rinna genom ett timglas. Men zooma in tillräckligt långt, och fysiken blir konstig. Vibrationsenergin bleknar inte alls jämnt – den förändras i distinkta, räkningsbara steg.

Teamet vid Stanford, lett av fysikern Amir Safavi-Naeini, byggde en liten mekanisk resonator med chipptillverkningsmetoder. Och de gav den en riktigt ovanlig egenskap: den kunde fortsätta vibrera i två hela millisekunder. Om du skalade upp det till en vanlig stämgaffel, skulle den fortsätta ringa i timmar. Det är otroligt länge i kvantvärlden.

Den utvidgade vibrationen gav forskarna precis tillräckligt med tid för att ta hundratals mätningar och faktiskt fånga kvantsprånget – ögonblicket då ljudet gick från energitillstånd 1 till energitillstånd 0.

Mätutmaningen (För kvantgrejer är bräckliga)

Nu blir det riktigt smart. För att observera dessa kvantsprång behöver du mäta vad som händer utan att helt förstöra det sköra kvanttillstånd du försöker studera. Det är som att försöka titta på en såpbubbla utan att den spricker.

Teamet löste detta genom att koppla sin lilla resonator till något som kallas en supraledande qubit. En qubit är i grunden en kvantdators version av en vanlig datorbit – den kan lagra kvantinformation. Men i det här fallet använde de den som detektor.

Qubiten kontrollerade upprepade gånger hur det stod till med resonatorn under dess två millisekunder långa livstid, och ställde en enkel fråga: "Finns det en fonon där eller inte?" Genom att ställa den här frågan om och om igen kunde de peka ut exakt när kvantsprånget inträffade.

Ledande forskaren Takuma Makihara uttryckte det bra: de var tvungna att utveckla nya processer för att skapa detta långlivade vibrerande objekt och sedan koppla ihop det med deras lilla elektriska detektor utan att förstöra någon av dem. Det är i praktiken kvantteknik i ett nötskal – att hålla otroligt ömtåliga saker fungerande medan man pillar på dem.

Varför borde du bry dig?

Så vi kan se ljud göra kvantsaker. Ingen stor grej, eller?

Jo, faktiskt ganska stor. Här är varför.

Kvantdatorer får ett nytt verktyg

Kvantdatorer har potential att lösa problem som skulle ta vanliga datorer längre tid än universums ålder. Men det finns en hake: kvanttillstånd är otroligt bräckliga. De kan falla sönder innan din beräkning är klar, och introducera fel.

Här är grejen: i många kvantdatorinstallationer kan ett kvantsprång faktiskt signalera att ett fel håller på att inträffa. Om vi kan detektera dessa språng i ljudbaserade system, kanske vi har ett kraftfullt nytt sätt att fånga och korrigera kvantfel innan de förstör våra beräkningar.

Att känna av saker vi inte kan detektera just nu

Stanfordteamet samarbetar redan med forskare vid Caltech för att undersöka om teknologin kan detektera och identifiera proteiner inuti levande celler. Tänk på vad det betyder: vi kanske tittar på en framtid där kvantmekaniska ljudsensorer kan identifiera sjukdomar innan symtomen ens dyker upp.

Bättre ljudkontroll för allt

Och här är något mer omedelbart: bättre kontroll över vibrationer kan förbättra ljudtekniken i din smartphone och andra enheter. Samma principer som arbetar här kan leda till mer raffinerade akustiska teknologier i de gadgetar vi använder varje dag.

Den större bilden**

Vad som verkligen slår mig med den här forskningen är vad den representerar. Vi kryssar inte bara av ytterligare en ruta på "observera kvantfenomen"-listan. Vi bygger mot teknologier som genuint kan förändra vår värld.

Safavi-Naeini uttryckte det väl: "Vi har sett att vibrerande objekt kan uppvisa kvantbeteende, vilket är förutsättningen för många av de operationer som behövs inom kvantberäkning och kvantsensorik."

Översatt: Vi har bevisat att de konstiga reglerna som styr små partiklar även gäller för vardagliga objekt som vibrerande membran. Det är ett enormt konceptuellt språng, och det öppnar dörrar vi inte ens visste fanns.

Den här forskningen är fortfarande i ett tidigt stadium. Vi är förmodligen år ifrån praktiska kvantljudteknologier. Men varje genombrott börjar någonstans, och att se ljud göra kvantsprång är ett riktigt remarkabelt "någonstans".

Nästa gång du hör en klocka ringa eller känner din telefon vibrera, kom ihåg: på den djupaste nivån av verkligheten är dessa ljud gjorda av små partiklar som hoppar mellan tillstånd på sätt som vi först nu börjar förstå. Fysiken är galen, och ärligt talat? Jag älskar att leva i en tid då vi fortfarande upptäcker fundamentalt nya saker om hur universum fungerar.