Учените най-накрая "хванаха" звука да прави квантови скокове

Имам да ви разкажа нещо от физическа лаборатория, което е доста по-интересно, отколкото звучи (и не, не е игра на думи).

Изследователи от Станфорд направиха нещо, което досега не е правено: наблюдаваха отделни звукови частици да правят квантови скокове в реално време. Седнали са си и са гледали как звукът се държи по начин, който дори Айнщайн би сметнал за невероятен.

Какво представлява квантовият скок?

Името звучи малко драматично, но нека обясня. Квантов скок е когато нещо изключително малко — атом, фотон или вече и фонон — прескача от едно енергийно ниво на друго мигновено. Без плавен преход. Без междинни стъпки. Просто... хоп, и вече си на друго място.

Знаем за тези скокове от началото на 1900-те. Хващали сме ги при уловени йони през 1986 и при светлинни частици през 2007. Но звукът упорито отказваше да разкрие квантовите си тайни. До сега.

Звуково решение

Нека поговорим за звука на квантово ниво. Става дума за "фононите" — най-малките възможни единици звук. Представяйте си ги като атомите на звуковите вълни. Всеки фонон представлява съгласувано трептене на цяла група атоми, движещи се заедно.

В обикновения свят, когато ударите камбана, звукът постепенно заглъхва. Изглежда плавно — сякаш пясък се сипе през пясъчен часовник. Но ако надникнете достатъчно надълбоко, физиката става странна. Вибрационната енергия изобщо не спада плавно. Тя се променя на отделни, преброими стъпки.

Екипът от Станфорд, ръководен от физика Амир Сафяви-Наейни, създаде миниатюрно механично резонаторче с помощта на чипови технологии. И му даде едно много необичайно свойство: можа да трепти цели две милисекунди. Ако прецените това спрямо обикновена камертон, тя би звъняла с часове. Това е изключително дълго време в квантовия свят.

Тези две милисекунди бяха точно колкото да направят стотици измервания и да хванат самия квантов скок — момента, в който звукът премина от енергийно ниво 1 към ниво 0.

Предизвикателството на измерването

Тук идва най-съобразителната част. За да наблюдаваш тези квантови скокове, трябва да измериш какво става, без да разрушиш деликатното квантово състояние, което се опитваш да видиш. Представяте ли си да гледате сапунено мехурче, без то да се пукне?

Екипът реши този проблем, като свърза резонатора си със свръхпроводящ кубит. Кубитът е квантовата версия на обикновения компютърен бит — може да съхранява квантова информация. Тук обаче са го използвали като детектор.

Кубитът многократно проверявал резонатора през тези две милисекунди, задавайки простия въпрос: "Има ли фонон или няма?" Като задавал този въпрос отново и отново, можели да установят точно кога се е случил скокът.

Водещият изследовател Такума Макихара каза хубаво: трябвало да разработят нови процеси, за да създадат този дългоживеещ трептящ обект и после да го свържат с миниатюрния си електрически детектор, без да повредят нито едното. Това всъщност е квантовото инженерство в най-чист вид — да поддържаш невероятно крехки неща да работят, докато ги пипаш.

Защо трябва да ви е грижа?

Значи можем да гледаме звук да прави квантови неща. Е, и какво от това?

Всъщност — доста голяма работа. Ето защо:

Квантовите компютри получават нов инструмент

Квантовите компютри могат да решават задачи, за които на обикновени компютри биха им трябвали повече години, отколкото възрастта на вселената. Но има уловка: квантовите състояния са изключително крехки. Могат да се разпаднат преди изчислението да приключи и да внесат грешки.

Ето какво е важното: в много квантови системи квантовият скок всъщност сигнализира, че настъпва грешка. Ако можем да засичаме тези скокове при звукови системи, може би имаме мощен нов начин да хващаме и поправяме квантови грешки, преди да са объркали изчисленията ни.

Сензори за неща, които сега не можем да засечем

Екипът от Станфорд вече си партнира с изследователи от Калтех, за да проверят дали тази технология може да засича и идентифицира протеини в живи клетки. Помислете какво означава това: може би гледаме към бъдеще, в което квантово-механични звукови сензори ще разпознават болести преди дори да са се проявили симптоми.

По-добър контрол на звука навсякъде

И ето нещо по-непосредствено: по-добър контрол върху вибрациите може да подобри звуковата технология в смартфона ви и други уреди. Същите принципи тук могат да доведат до по-усъвършенствани акустични технологии в устройствата, които ползваме всеки ден.

По-голямата картина

Това, което ме впечатлява най-много в това изследване, е какво представлява то. Не просто отбелязваме нова точка в списъка "наблюдавани квантови явления". Строим към технологии, които могат наистина да променят света ни.

Сафяви-Наейни го каза добре: "Видяхме, че трептящи обекти могат да проявяват квантово поведение, а това е предпоставката за много от операциите, нужни на квантовите изчисления и сензорите."

С други думи: доказахме, че странните правила, управляващи миниатюрните частици, важат и за обикновени обекти като вибриращи мембрани. Това е огромна концептуална крачка и отваря врати, за които дори не подозирахме, че съществуват.

Изследването е още в ранен етап. Вероятно сме на години разстояние от практически квантови звукови технологии. Но всеки пробив започва отнякъде, а да гледаш звук да прави квантови скокове е доста забележително "отнякъде".

Следващия път когато чуете камбана да звъни или усетите телефона си да вибрира, помнете: на най-дълбокото ниво на реалността, тези звуци са съставени от миниатюрни частици, прескачащи между състояния по начини, които тепърва започваме да разбираме. Физиката е луда и честно казано? Обичам да живея във век, в който все още откриваме фундаментално нови неща за това как работи вселената.