Lyden som hoppet kvantum

Her kommer en historie fra et fysikklab som faktisk er morsommere enn den høres ut (ja, det var tilsiktet).

Forskere ved Stanford har nettopp gjort noe ingen hadde klart før: de observert enkelte lydpartikler utføre kvantesprang i sann tid. De satt rett og slett og så på at lyd oppførte seg på måter Einstein ville syntes var fascinerende.

Hva i all verden er et kvantesprang?

La meg forklare, for navnet høres mer dramatisk ut enn det er. Et kvantesprang skjer når noe veldig lite – som et atom, et foton, eller altså et fonon – hopper fra ett energinivå til et annet øyeblikkelig. Ingen glatt overgang. Ingen mellomsteg. Bare poff – så er du på et annet energinivå.

Vi har visst om disse sprangene siden tidlig på 1900-tallet. Forskere har observert dem i fangede ioner helt tilbake i 1986, og i lyspartikler i 2007. Men lyd? Lyd har nektet å avsløre sine kvantum-hemmeligheter – til nå.

Lyden løsningen

Her er greia med lyd på kvantenivå. Vi snakker om "fononer" – de minste mulige enhetene av lyd. Tenk på dem som atomene i lydbølger. Et fonon er den koordinerte vibrasjonen til masse atomer som beveger seg sammen i perfekt harmoni.

I hverdagsverdenen, når du ringer en klokke, fades lyden gradvis bort. Det ser ut som en glatt overgang. Men zoomer du langt nok inn, blir fysikken merkelig. Vibrasjonsenergien avtar ikke jevnt i det hele tatt – den endrer seg i tydelige, tellbare steg.

Teamet ved Stanford, ledet av fysiker Amir Safavi-Naeini, bygde en bitte liten mekanisk resonator ved hjelp av chip-produksjonsteknikker. Og de ga den en veldig uvanlig egenskap: den kunne holde på å vibrere i to hele millisekunder. Skalerer du det opp til en vanlig stemegaffel, ville den fortsatt ljome i timer. Det er utrolig lenge i kvanteverdenen.

Den forlengede vibrasjonen ga forskerne akkurat nok tid til å ta hundrevis av målinger og faktisk fange kvantespranget – øyeblikket da lyden gikk fra energitilstand 1 til energitilstand 0.

Målingsutfordringen (For kvantedata er skjøre)

Her blir det virkelig smart. For å se disse kvantesprangene, må du måle hva som skjer uten å ødelegge den skjøre kvantetilstanden du prøver å observere. Det er som å prøve å se på en såpeboble uten at den sprekker.

Teamet løste dette ved å koble resonatoren til noe som kalles en superledende qubit. En qubit er kvantedatamaskinens versjon av en vanlig databit – den kan lagre kvanteinformasjon. Men i dette tilfellet brukte de den som detektor.

Qubiten sjekket gjentatte ganger på resonatoren i løpet av dens to millisekunder, og stilte et enkelt spørsmål: "Er det et fonon der eller ikke?" Ved å spørre dette igjen og igjen, kunne de peke ut akkurat når kvantespranget skjedde.

Hovedforsker Takuma Makihara beskrev det godt: De måtte utvikle nye prosesser for å lage dette langlivede vibrerende objektet, og deretter koble det til den lille elektriske detektoren uten å ødelegge noen av dem. Det er kvantekonstruksjon i et nøtteskall – holde utrolig skjøre ting i gang mens du holder på med dem.

Hvorfor skal du bry deg?

Så vi kan se lyd gjøre kvanteting. Ikke så interessant, kanskje?

Faktisk, ganske så interessant. Her er hvorfor.

Kvantedatamaskiner får et nytt verktøy

Kvantedatamaskiner kan potensielt løse problemer som ville tatt vanlige datamaskiner lenger enn universets alder. Men det er et problem: kvantetilstander er utrolig skjøre. De kan falle fra hverandre før beregningen er ferdig, og introdusere feil.

Her er poenget: i mange kvantedatamaskiner kan et kvantesprang faktisk signalisere at en feil er i ferd med å skje. Hvis vi kan oppdage disse sprangene i lydbaserte systemer, kan vi kanskje ha en kraftig ny måte å oppdage og rette kvantefeil før de ødelegger beregningene våre.

Måling av ting vi ikke kan oppdage ennå

Stanford-teamet samarbeider allerede med forskere ved Caltech om å undersøke om denne teknologien kan oppdage og identifisere proteiner inne i levende celler. Tenk på hva det betyr: Vi snakker kanskje om en fremtid der kvantemekaniske lydsensorer kan identifisere sykdommer før symptomene i det hele tatt viser seg.

Bedre lydkontroll for alt

Og her er noe mer umiddelbart: bedre kontroll over vibrasjoner kan forbedre lydteknologien i smarttelefonen din og andre enheter. De samme prinsippene her kan føre til mer raffinert akustisk teknologi i gadgetene vi bruker hver dag.

Det større bildet**

Det som virkelig slår meg med denne forskningen, er hva den representerer. Vi checker ikke bare av en ny boks på "observer kvantefenomen"-lista. Vi bygger mot teknologier som genuint kan forandre verden vår.

Safavi-Naeini sa det godt: "Vi har sett at vibrerende objekter kan vise kvanteoppførsel, som er forutsetningen for mange av operasjonene som trengs av kvantedatabehandling og måling."

Oversatt: Vi har bevist at de merkelige reglene som styrer små partikler også gjelder for hverdagslige objekter som vibrerende membraner. Det er et kjempestort konseptuelt sprang, og det åpner dører vi ikke engang visste fantes.

Denne forskningen er fortsatt tidlig stadium. Vi er sannsynligvis år unna praktiske kvantelydteknologier. Men hvert gjennombrudd starter et sted, og å se lyd utføre kvantesprang er et ganske bemerkelsesverdig "et sted."

Neste gang du hører en klokke ringe eller kjenner telefonen vibrere, husk: på det dypeste nivået av virkeligheten er disse lydene laget av bitte små partikler som hopper mellom tilstander på måter vi først nå begynner å forstå. Fysikk er sprøtt, og ærlig talt? Jeg elsker å leve i en tid der vi fortsatt oppdager fundamentalt nye ting om hvordan universet fungerer.