Lyden der hoppede

Okay, jeg bliver nødt til at fortælle jer om noget, der skete på et fysiklaboratorium for nylig. Og jeg lover, det er mere interessant, end det måske lyder (ordspillet er helt med vilje).

Forskere på Stanford har gjort noget, der aldrig er gjort før: De har observeret enkelte lydpartikler lave kvantespring i realtid. Altså, de sad bogstaveligt og så på, hvordan lyd opfører sig på en måde, Einstein ville have fundet fascinerende.

Hvad i alverden er et kvantespring?

Lad mig lige forklare det, for navnet lyder lidt dramatisk. Et kvantespring er, når noget meget lille – som en atom, en foton eller tilsyneladende nu en fonon – springer fra et energiniveau til et andet øjeblikkeligt. Ingen glidende overgang, intet imellem. Bare poof – pludselig befinder du dig i en anden energtilstand.

Vi har vidst, at de her spring eksisterer siden starten af 1900-tallet, og forskere har observeret dem i fangede ioner i 1986 og i lyspartikler (fotoner) i 2007. Men lyd? Lyd nægtede stubborn at afsløre sine kvantehemmeligheder – indtil nu.

Lyden af kvantemekanik

Her er det vedkommende ved lyd på kvanteniveau. Vi taler om "fononer," som grundlæggende set er de mindste mulige enheder af lyd. Tænk på dem som atomer i lydbølger. En fonon repræsenterer den koordinerede vibration af en hel stribe atomer, der bevæger sig sammen i perfekt harmoni.

I vores hverdag, når du ringer en klokke, forsvinder lyden gradvist. Det ser ud til at ske jævnt, ligesom sand, der siver gennem et timeglas. Men zoom langt nok ind, og fysikken bliver underlig. Den vibrationelle energi falder overhovedet ikke jævnt – den ændrer sig i distinkte, tællelige trin.

Holdet fra Stanford, ledet af fysikeren Amir Safavi-Naeini, byggede en lillebitte mekanisk resonator ved hjælp af chipfabrikationsteknikker. Og de gav den en ret usædvanlig egenskab: Den kunne blive ved med at vibrere i to hele millisekunder. Hvis du skalerede det op til en normal stemmegaffel, ville den blive ved med at ringe i timer. Det er ekstremt længe i kvanteverdenen.

Den udvidede vibration gav forskerne netop tid nok til at foretage hundredvis af målinger og faktisk fange kvantespringet i færd med at ske – øjeblikket hvor lyden gik fra energitilstand 1 til energitilstand 0.

Målingsudfordringen (For Kvanteting Er Skrøbelige)

Og her bliver det virkelig smart. For at observere de her kvantespring, bliver du nødt til at måle, hvad der sker, uden fuldstændigt at ødelægge den skrøbelige kvantetilstand, du prøver at observere. Det er ligesom at prøve at se på en sæbeboble uden at den springer.

Holdet løste det ved at koble deres lille resonator til noget, der hedder en superledende qubit. En qubit er grundlæggende en kvantecomputers version af en almindelig computerbit – den kan lagre kvanteinformation. Men i dette tilfælde brugte de den som en detektor.

Qubitten tjekkede gentagne gange resonatoren i løbet af dens to millisekunders levetid og stillede et simpelt spørgsmål: "Er der en fonon der eller ej?" Ved at stille det spørgsmål igen og igen, kunne de pege præcist på, hvornår kvantespringet skete.

Hovedforsker Takuma Makihara udtrykte det pænt: De var nødt til at udvikle nye processer for at skabe det her langlivede vibrerende objekt og derefter koble det til deres lille elektriske detektor uden at ødelægge nogen af dem. Det er i bund og grund kvanteteknik i en nøddeskal – holde utroligt skrøbelige ting i gang, mens man roder med dem.

Hvorfor Skal Du Overhovedet Bry Dig?

Så vi kan se lyd lave kvanteting. Stor sag, ikke?

Nå, faktisk ret så stor. Her er hvorfor.

Kvantecomputing Får Et Nyt Værktøj

Kvantecomputere har potentiale til at løse problemer, der ville tage almindelige computere længere tid end universets alder at løse. Men der er en hage: Kvantetilstande er utroligt skrøbelige. De kan falde fra hinanden, før din beregning er færdig, og introducere fejl.

Her er det: I mange kvantecomputationsopsætninger kan et kvantespring faktisk signalere, at en fejl er ved at ske. Hvis vi kan detektere de her spring i lydbaserede systemer, har vi måske en kraftfuld ny måde at fange og korrigere kvantefejl på, før de roder vores beregninger.

Måling Af Ting Vi Ikke Kan Detektere Lige Nu

Stanford-holdet arbejder allerede med forskere fra Caltech om at undersøge, om denne teknologi kunne detektere og identificere proteiner inde i levende celler. Tænk over, hvad det betyder: Vi kigger måske på en fremtid, hvor kvantemekaniske lydsensorer kunne identificere sygdomme, før symptomer overhovedet viser sig.

Bedre Lydkontrol Til Alt

Og her er noget mere øjeblikkeligt: Bedre kontrol over vibrationer kunne forbedre lydteknologien i din smartphone og andre enheder. De samme principper i arbejde her kunne føre til mere raffinerede akustiske teknologier i de gadgets, vi bruger hver dag.

Det Større Billede**

Det, der virkelig slår mig ved den her forskning, er, hvad den repræsenterer. Vi checker ikke bare endnu en boks af på "observer kvantefænomen"-listen. Vi bygger mod teknologier, der genuint kunne transformere vores verden.

Safavi-Naeini udtrykte det godt: "Vi har set, at vibrerende objekter kan udvise kvanteadfærd, hvilket er forudsætningen for mange af de operationer, der er nødvendige for kvanteberegning og sensing."

Oversat: Vi har bevist, at de underlige regler, der styrer tiny partikler, også gælder for hverdagsgenstande som vibrerende membraner. Det er et kæmpe konceptuelt spring, og det åbner døre, vi ikke engang vidste eksisterede.

Den her forskning er stadig tidlig stadie. Vi er nok år fra praktisk kvantlydsteknologi. Men hver gennembrud starter et sted, og at se lyd lave kvantespring er et ret bemærkelsesværdigt "et sted."

Næste gang du hører en klokke ringe eller mærker din telefon vibrere, så husk: På det dybeste niveau af virkeligheden er de lyde lavet af små partikler, der springer mellem tilstande på måder, vi først nu begynder at forstå. Fysik er vildt, og ærligt talt? Jeg elsker at leve i en tid, hvor vi stadig opdager fundamentalt nye ting om, hvordan universet fungerer.