Kun ääni hyppii kvanttitasolta toiselle – Stanfordin tutkijat tekivät jotain, mitä ei ole koskaan ennen nähty

Olen pahoillani, jos fysiikka ei ole koskaan ollut lempiaiheesi. Mutta tämä juttu on erilainen, lupaan. Stanfordissa sattui nimittäin juuri jotain, joka saa jopa Einsteinin pyörät pyörimään.

Tutkijat onnistuivat ensimmäistä kertaa historiassa seuraamaan yksittäisten äänipartikkeleiden kvanttihyppyjä suoraan, reaaliaikaisesti. Eli käytännössä he istuivat ja katselivat, miten ääni käyttäytyy tavalla, joka on käsittämättömän jännittävää.

Mutta mitä ihmettä kvanttihypyllä oikein tarkoitetaan?

Nimi kuulostaa dramaattiselta, ja se onkin. Kyse on hetkestä, jolloin jokin äärimmäisen pieni – atomi, valohiukkanen eli fotoni, tai nyt siis fononi – siirtyy yhdestä energiatilasta toiseen. Ei mitään välivaihetta, ei pehmeää siirtymää. Vain naks, ja olet eri tilassa.

Ilmiön olemassaolosta on tiedetty1900-luvun alusta lähtien. Vangittuja ioneja tarkkailtiin ensimmäisen kerran vuonna 1986, ja valohiukkasia tutkittiin 2007. Mutta ääni? Ääni ei suostunut paljastamaan salaisuuksiaan. Ainakin ennen nyt.

Äänen kvanttimaailma

Puhutaanpa fononeista. Ne ovat äänen pienimmät mahdolliset yksiköt – ääniaaltojen "atomit", jos haluat ajatella niin. Yksi fononi tarkoittaa joukkoa atomeja, jotka värisevät yhdessä täydellisessä sovussa.

Arjessa tämä näyttää erilaiselta. Kun soitat kelloa, ääni vaimenee hiljalleen. Vaikuttaa sulavalta, kuin hiekan valumiselta tiimalasissa. Mutta kun kaivautuu syvemmälle, fysiikka muuttuu oudoksi. Värähtelyenergia ei vaimene sujuvasti ollenkaan – se muuttuu erillisissä, laskettavissa olevissa askeleissa.

Stanfordin tiimi, jonka johtajana toimii fyysikko Amir Safavi-Naeini, rakensi pienen mekaanisen resonaattorin mikropiiritekniikalla. Sillä oli erityinen ominaisuus: se pysyi värähtelemässä kokonaiset kaksi millisekuntia. Jos saman asian skaalaisi tavallisen koon tuning fork -laitteeksi, se soisi tunteja. Tämä on äärimmäisen pitkä aika kvanttimaailmassa.

Tämä poikkeuksellisen pitkä värähdysaika antoi tutkijoille mahdollisuuden tehdä satoja mittauksia ja todella nähdä kvanttihyppy tapahtumassa – se hetki, kun ääni siirtyi energiatilasta 1 energiatilaan 0.

Mittaaminen ilman tuhoamista

Tässä kohtaa tarina muuttuu todella nokkelaksi. Kvanttihyppyjen seuraaminen vaatii mittaamista, joka ei pilaa tarkkailtavaa tilaa. Se on kuin yrittäisi katsoa saippuakuplaa rikkomatta sitä.

Tutkijat ratkaisivat ongelman kytkemällä resonaattorin suprajohtavaan kubittiin. Kubitti on kvanttitietokoneen vastine tavalliselle bitille – se pystyy tallentamaan kvantti-informaatiota. Tässä kokeessa sitä käytettiin ilmaisimena.

Kubitti tarkisti resonaattorin toistuvasti sen kahden millisekunnin elinkaaren aikana. Kysymys oli yksinkertainen: "Onko fononi paikallaan vai ei?" Kysymällä tätä toistuvasti tutkijat pystyivät määrittämään tarkasti, milloin kvanttihyppy tapahtui.

Tutkimuksen päätekijä Takuma Makihara kuvaili asiaa näin: heidän piti kehittää kokonaan uusia prosesseja luodakseen tämän pitkäikäisen värähtelevän rakenteen ja kytkeä se pieneen sähköiseen ilmaisimeen rikkomatta kumpaakaan. Siinä on kvanttitekniikan ydin – miten saada äärimmäisen herkät asiat toimimaan samalla kun niitä käsitellään.

Miksi tällä on väliä?

Siis, me voidaan nyt katsella äänen tekevän kvantti-ilmiöitä. Eikö olekin yhdentekevää?

Oikeasti, tämä on melko iso juttu. Tässä syitä.

Kvanttilaskenta saa uuden työkalun

Kvanttitietokoneilla voidaan ratkaista ongelmia, joiden laskeminen veisi tavallisilta tietokoneilta kauemmin kuin maailmankaikkeuden ikä. Mutta on yksi mutta: kvanttitilat ovat äärimmäisen hauraita. Ne voivat hajota ennen laskun valmistumista ja aiheuttaa virheitä.

Monissa kvanttilaskentajärjestelmissä kvanttihyppy voi itse asiassa merkitä virhettä. Jos osaamme havaita nämä hypyt äänipohjaisissa järjestelmissä, meillä saattaa olla mullistava uusi tapa korjata kvanttivirheitä ennen kuin ne sotkevat laskelmat.

Anturointi uusille tasoille

Stanfordin tiimi tekee jo yhteistyötä Caltechin tutkijoiden kanssa selvittääkseen, voisiko tämä teknologia tunnistaa proteiineja elävien solujen sisällä. Mieti hetki mitä se tarkoittaa: ehkä tulevaisuudessa kvanttimekaaniset ääni-anturit voivat tunnistaa tauteja ennen kuin oireita ilmaantuu.

Parempaa ääntä arkeen

Ja tässä jotain konkreettisempaa: värähtelyjen parempi hallinta voisi parantaa ääniteknologiaa älypuhelimissasi ja muissa laitteissa. Samat periaatteet voivat johtaa hienostuneempaan akustiikkaan jokapäiväisissä laitteissa.

Kokonaisuus

Se, mikä tässä tutkimuksessa oikeasti viehättää, on se mitä se edustaa. Emme vain rastita uutta kohtaa "kvantti-ilmiöiden havaitsemislistalla". Olemme rakentamassa teknologioita, jotka voivat todella muuttaa maailmaa.

Safavi-Naeini tiivisti asian osuvasti: "Olemme nähneet, että värähtelevät kohteet voivat osoittaa kvanttimaista käyttäytymistä. Se on edellytys monille kvanttilaskennassa ja -anturoinnissa tarvittaville toiminnoille."

Käytännössä: olemme todistaneet, että sama outo fysiikka, joka hallitsee pieniä hiukkasia, pätee myös jokapäiväisiin esineisiin kuten värähteleviin kalvoihin. Tämä on valtava käsitteellinen harppaus, ja se avaa ovia, joiden olemassaolosta emme edes tienneet.

Tutkimus on vielä alkuvaiheessa. Käytännöllisiä kvanttiääniteknologioita nähdään todennäköisesti vasta vuosien päästä. Mutta jokainen läpimurto alkaa jostain, ja äänen kvanttihyppyjen seuraaminen on aika hienonlainen "jostain".

Seuraavan kerran kun kuulet kellon soivan tai tunnet puhelimesi värisevän, muista tämä: syvimmällä todellisuuden tasolla nuo äänet koostuvat pienistä hiukkasista, jotka hyppivät tilojen välillä tavalla, jota alamme vasta ymmärtää. Fysiikka on hurjaa, ja rehellisesti sanottuna – rakastan elävää aikaa, jossa opimme yhä uutta siitä, miten maailmankaikkeus toimii.