Wetenschappers hebben voor het eerst gezien hoe geluid quantum-sprongen maakt

Er gebeurde onlangs iets bijzonders in een natuurkundelaboratorium, en ik zweer dat het interessanter is dan het misschien klinkt.

Onderzoekers van Stanford hebben iets voor elkaar gekregen wat nog nooit eerder lukte: ze hebben individuele geluiddeeltjes live quantum-sprongen zien maken. Ze zaten letterlijk te kijken hoe geluid zich gedraagt op een manier die Einstein geweldig zou hebben gevonden.

Wat is een quantum-sprong eigenlijk?

Laat me dat even uitleggen, want de naam klinkt nogal dramatisch. Een quantum-sprong is basically wanneer iets heel kleins — zoals een atoom, een foton, of blijkbaar nu een fonon — van het ene energieniveau naar het andere springt.一瞬. Geen soepele overgang, geen tussenfase. Gewoon... poef, je staat plotseling in een andere energietoestand.

We weten al sinds het begin van de twintigste eeuw dat deze sprongen bestaan. Wetenschappers zagen ze voor het eerst in gevangen ionen in 1986 en in lichtdeeltjes in 2007. Maar geluid? Geluid weigerde hardnekkig om zijn quantumgeheimen prijs te geven — tot nu.

De oplossing voor het geluidsprobleem

Hier is het punt over geluid op quantumniveau. We praten over "fononen," de kleinst mogelijke eenheden van geluid. Stel ze voor als de atomen van geluidsgolven. Een fonon vertegenwoordigt de gecoördineerde trilling van een heleboel atomen die samen in perfecte harmonie bewegen.

In onze dagelijkse wereld, wanneer je een bel laat rinkelen, vervaagt het geluid geleidelijk. Het lijkt soepel te gebeuren, zoals zand dat door een zandloper glijdt. Maar zoom ver genoeg in, en de fysica wordt raar. De trillingsenergie vervaagt helemaal niet soepel — hij verandert in duidelijke, telbare stappen.

Het Stanford-team, geleid door fysicus Amir Safavi-Naeini, bouwde een minuscuul mechanisch resonator met chipfabricagetechnieken. En ze gaven het een heel ongewone eigenschap: hij kon twee hele milliseconden blijven trillen. Als je dat zou opschalen naar een normale stemvork, zou die urenlang blijven klinken. Dat is ongelooflijk lang in de quantumwereld.

Die langdurige trilling gaf de onderzoekers precies genoeg tijd om honderden metingen te doen en de quantum-sprong werkelijk te vangen — het moment waarop het geluid van energieniveau 1 naar energieniveau 0 ging.

De meetuitdaging (want quantumming is breekbaar)

Hier wordt het echt slim. Om deze quantum-sprongen te bekijken, moet je meten wat er gebeurt zonder de delicate quantumtoestand die je probeert te observeren volledig te vernietigen. Het is alsof je een zeepbel probeert te bekijken zonder dat hij knapt.

Het team loste dit op door hun minuscuul resonator te koppelen aan iets dat een supergeleidende qubit heet. Een qubit is basically de quantumcomputerversie van een gewone computerbit — het kan quantum-informatie opslaan. Maar in dit geval gebruikten ze het als detector.

De qubit zou herhaaldelijk naar de resonator kijken tijdens zijn tweemilliseconden-levensduur, met een simpele vraag: "Is er een fonon of niet?" Door deze vraag keer op keer te stellen, konden ze precies pinpointen wanneer de quantum-sprong plaatsvond.

Hoofdonderzoeker Takuma Makihara verwoordde het goed: ze moesten nieuwe processen ontwikkelen om dit langlevende trillende object te creëren en het vervolgens aan hun minuscuul elektrische detector te koppelen zonder er een van te verpesten. Dat is basically quantum engineering in een notedop — ervoor zorgen dat ongelooflijk delicate dingen blijven werken terwijl je ermee knoeit.

Waarom zou je je daar druk om maken?

Dus we kunnen geluid quantum-dingen zien doen. Geen big deal, toch?

Eigenlijk, best wel een enorme deal. Hier is waarom.

Quantum computing krijgt een nieuw gereedschap

Quantumcomputers kunnen potentieel problemen oplossen die gewone computers langer zouden kosten dan de leeftijd van het universum. Maar er is een addertje onder het gras: quantumtoestanden zijn ongelooflijk breekbaar. Ze kunnen uit elkaar vallen voordat je berekening klaar is, waardoor fouten ontstaan.

Hier is het ding: in veel quantumcomputeropstellingen kan een quantum-sprong eigenlijk aangeven dat er een fout optreedt. Als we deze sprongen in op geluid gebaseerde systemen kunnen detecteren, hebben we misschien een krachtige nieuwe manier om quantumfouten op te vangen en te corrigeren voordat ze onze berekeningen verpesten.

Dingen detecteren die we nu nog niet kunnen waarnemen

Het Stanford-team werkt al samen met onderzoekers van Caltech om te kijken of deze technologie eiwitten binnen levende cellen zou kunnen detecteren en identificeren. Denk even na over wat dat betekent: we kijken misschien naar een toekomst waarin quantummechanische geluidssensoren ziekten kunnen identificeren voordat er zelfs maar symptomen optreden.

Beter geluid in alles

En hier is iets directers: betere controle over trillingen zou de geluidstechnologie in je smartphone en andere apparaten kunnen verbeteren. Dezelfde principes die hier werken, kunnen leiden tot verfijndere akoestische technologieën in de gadgets die we elke dag gebruiken.

De grotere foto

Wat me het meest raakt aan dit onderzoek is wat het vertegenwoordigt. We checken niet zomaar weer een vakje af op de "observeer quantumfenomeen"-lijst. We bouwen aan technologieën die onze wereld werkelijk kunnen veranderen.

Safavi-Naeini zei het treffend: "We hebben gezien dat trillende objecten quantumgedrag kunnen vertonen, wat de voorwaarde is voor veel van de operaties die nodig zijn voor quantum computing en sensing."

Vertaling: We hebben bewezen dat de rare regels die gelden voor kleine deeltjes ook van toepassing zijn op alledaagse objecten zoals trillende membranen. Dat is een enorme conceptuele sprong, en het opent deuren waarvan we niet eens wisten dat ze bestonden.

Dit onderzoek zit nog in een vroeg stadium. We zijn waarschijnlijk nog jaren verwijderd van praktische quantum-geluidstechnologieën. Maar elke doorbraak begint ergens, en het zien van geluid dat quantum-sprongen maakt is een vrij opmerkelijke "ergens."

De volgende keer dat je een bel hoort rinkelen of je telefoon voelt trillen, onthoud dan: op het diepste niveau van de werkelijkheid bestaan die geluiden uit piepkleine deeltjes die tussen toestanden springen op manieren die we nu pas beginnen te begrijpen. Fysica is geweldig, en eerlijk? Ik hou ervan om in een tijd te leven waarin we nog steeds fundamenteel nieuwe dingen ontdekken over hoe het universum werkt.