Kiedy dźwięk robił salto kwantowe

Mam dla was historię prosto z laboratorium fizycznego i uwierzcie mi – jest ciekawsza, niż mogłoby się wydawać (gra słów zamierzona).

Naukowcy ze Stanford jako pierwsi w historii zaobserwowali pojedyncze cząstki dźwięku wykonujące skoki kwantowe w czasie rzeczywistym. Dosłownie siedzieli i patrzyli, jak fale akustyczne zachowują się w sposób, który wprawiłby Einsteina w zachwyt.

Co to jest ten cały skok kwantowy?

Nazwa brzmi dramatycznie, więc wyjaśnię. Skok kwantowy to moment, gdy coś mikroskopijnego – atom, foton, a teraz też fonon – przeskakuje z jednego poziomu energetycznego na drugi. Natychmiast. Bez płynnego przejścia, bez pośrednich stacji. Po prostu: BUM, jesteś gdzie indziej.

Zjawisko znaliśmy od początku XX wieku. Złapano je w pułapkach dla jonów w 1986 roku i w cząstkach światła w 2007. Ale dźwięk? Ten uparcie nie chciał zdradzić swoich kwantowych tajemnic. Aż do teraz.

Jak to w ogóle mierzyć?

Fonony to najmniejsze porcje dźwięku, jakie istnieją. Myślicie o nich jak o atomach fal dźwiękowych – jedna porcja energii wibrującej w materii.

W naszym normalnym świecie dźwięk dzwonka cichnie stopniowo, gładko. Wyobraźcie sobie klepsydrę z piaskiem, który przesypuje się równomiernie. Ale gdy przyjrzycie się naprawdę blisko, fizyka pokazuje pazury. Energia wibracji nie maleje płynnie – skacze w określonych, policzalnych krokach.

Zespół ze Stanford pod kierunkiem Amir Safavi-Naeini stworzył miniaturowy rezonator mechaniczny. Użyli technik produkcji stosowanych przy produkcji układów scalonych. I nadali mu niezwykłą właściwość: drgał przez dwie pełne milisekundy. Gdyby przeskalować to do rozmiarów zwykłego kamertonu, brzmiałby przez wiele godzin. To wieczność w świecie kwantowym.

Te dwie milisekundy wystarczyły, by wykonać setki pomiarów i złapać skok kwantowy – moment, gdy energia spadła z poziomu 1 do 0.

##Problem z pomiarem

Tu zaczyna się prawdziwa inżynieria. Żeby obserwować skoki kwantowe, trzeba mierzyć, nie niszcząc przy tym delikatnego stanu kwantowego. Jak próbować oglądać bańkę mydlaną, nie powodując jej pęknięcia.

Rozwiązaniem było połączenie rezonatora z kubitem nadprzewodzącym. Kubit to odpowiednik klasycznego bitu w komputerze kwantowym – potrafi przechowywać informację kwantową. Tym razem wykorzystano go jednak jako detektor.

Kubit wielokrotnie "pytał" rezonator: "Jest tam fonon czy nie?". Powtarzał to pytanie setki razy, aż udało się precyzyjnie określić, kiedy dokładnie nastąpił skok kwantowy.

Główny badacz Takuma Makihara powiedział to ładnie: musieli opracować nowe procesy, by stworzyć ten długowieczny obiekt drgający, a potem połączyć go z miniaturowym detektorem elektrycznym, nie psując przy tym niczego. To właśnie sedno inżynierii kwantowej.

##Czemu to ma znaczenie?

Możecie myśleć: "No dobrze, możemy patrzeć jak dźwięk robi dziwne rzeczy. I co z tego?"

A no, całkiem sporo.

Nowe narzędzie dla komputerów kwantowych

Komputery kwantowe obiecują rozwiązywać problemy, przy których zwykłe maszyny poddałyby się wieki przed końcem Wszechświata. Problem w tym, że stany kwantowe są niewiarygodnie niestabilne. Rozsypują się, zanim obliczenia dobiegną końca, wprowadzając błędy.

Otóż okazuje się, że skok kwantowy często sygnalizuje właśnie taki błąd. Jeśli potrafimy wykrywać te skoki w systemach opartych na dźwięku, zyskujemy nową metodę łapania i korygowania błędów kwantowych, zanim popsują nam obliczenia.

Czujniki wykrywające to, co obecne technologie pomijają

Zespół ze Stanford już współpracuje z naukowcami z Caltech, badając możliwość wykrywania i identyfikacji białek w żywych komórkach. Brzmi abstrakcyjnie? Pomyślcie o przyszłości, gdzie czujniki kwantowe mogłyby wykrywać choroby, zanim pojawią się jakiekolwiek objawy.

Lepsza kontrola dźwięku dosłownie wszędzie

Poza tym: lepsza kontrola wibracji oznacza lepsze technologie akustyczne w smartfonach i innych urządzeniach. Te same zasady mogą prowadzić do bardziej zaawansowanych rozwiązań w gadżetach, których używamy codziennie.

##Większy obraz

To, co naprawdę mnie porusza w tym badaniu, to jego szersze znaczenie. Nie chodzi tylko o odhaczenie kolejnego fenomenu kwantowego na liście. Chodzi o budowanie technologii, które mogą naprawdę zmienić nasz świat.

Safavi-Naeini powiedział: "Widzieliśmy, że obiekty drgające mogą wykazywać zachowanie kwantowe, a to jest warunek konieczny dla wielu operacji potrzebnych w obliczeniach i czujnikach kwantowych."

Innymi słowy: udowodniliśmy, że dziwne prawa rządzące mikroskopijnymi cząstkami mają zastosowanie też do zwyczajnych przedmiotów – jak membrany drgające. To ogromny skok konceptualny, otwierający drzwi, o których istnieniu wcześniej nie wiedzieliśmy.

Badania są jeszcze wczesnym stadium. Praktyczne technologie kwantowego dźwięku? Pewnie minie wiele lat. Ale każdy przełom zaczyna się gdzieś, a obserwowanie dźwięku wykonującego skoki kwantowe to całkiem niezłe "gdzieś".

Następnym razem, gdy usłyszycie dzwonek albo poczujecie wibracje telefonu, pamiętajcie: na najgłębszym poziomie rzeczywistości te dźwięki składają się z maleńkich cząstek przeskakujących między stanami w sposób, który właśnie zaczynamy rozumieć. Fizyka jest dzika. I szczerze? Uwielbiam żyć w czasach, gdy wciąż odkrywamy fundamentalnie nowe rzeczy o tym, jak działa Wszechświat.