Vědci poprvé zachytili zvuk, jak dělá kvantové skoky. A je to fascinující

Musím vám něco říct o tom, co se nedávno stalo ve fyzikální laboratoři. A věřte mi, je to zajímavější, než to zní (a ta slovní hříčka je záměrná).

Vědci ze Stanfordu provedli něco, co tu ještě nikdo neudělal. Pozorovali jednotlivé zvukové částice, jak v reálném čase provádějí kvantové skoky. Doslova seděli a sledovali, jak se zvuk chová způsobem, který by Einsteina nadchnul.

Co je to vlastně ten kvantový skok?

Pojďme si to rozebrat, protože ten název zní trochu dramaticky. Kvantový skok je v podstatě okamžik, kdy něco malinkého — jako atom, foton nebo apparently teď i fonon — přeskočí z jedné energetické hladiny na druhou. Žádný plynulý přechod. Žádné mezi stavy. Prostě... * BUM*, a najednou jste někde úplně jinde.

Že tyto skoky existují, víme už od začátku dvacátého století. Vědci je spatřili u uvězněných iontů v roce 1986 a u světelných částic v roce 2007. Ale u zvuku? Zvuk byl tvrdohlavě tajemný a odmítal prozradit své kvantové tajemství — až doteď.

Řešení zvuku

Tady je ta věc se zvukem na kvantové úrovni. Mluvíme o „fononech". Ty jsou v podstatě nejmenší možné jednotky zvuku. Představte si je jako atomy zvukových vln. Fonon představuje koordinovanou vibraci spousty atomů, které se pohybují společně v dokonalém souladu.

V našem běžném světě, když zazvoníte na zvonek, zvuk postupně utichá. Zdá se, že to probíhá plynule — jako když sledujete písek pomalu sypající se přes přesýpací hodiny. Ale když se podíváte dostatečně blízko, fyzika se zblázní. Vibrační energie vůbec nevybledává hladce. Mění se v jasných, spočetelných krocích.

Tým ze Stanfordu, vedený fyzikem Amir Safavi-Naeini, postavil miniaturní mechanický rezonátor pomocí technik výroby čipů. A dali mu velmi neobvyklou vlastnost: dokázal kmitat plné dvě milisekundy. Kdybyste toto škálovali na normálně velkou ladičku, vibrovala by celé hodiny. V kvantovém světě je to neuvěřitelně dlouhá doba.

Tato prodloužená vibrace dala výzkumníkům dost času na stovky měření. A skutečně při tom zachytili probíhající kvantový skok — moment, kdy zvuk přeskočil z energetické hladiny 1 na hladinu 0.

Výzva měření (protože kvantové věci jsou křehké)

Tady to začíná být opravdu chytré. Abyste mohli sledovat tyto kvantové skoky, musíte měřit, co se děje, a přitom úplně nezničit křehký kvantový stav, který se snažíte pozorovat. Je to jako sledovat mýdlovou bublinu, aniž by praskla.

Tým to vyřešil tak, že svůj miniaturní rezonátor spojil s něčím, čemu se říká supravodivý qubit. Qubit je v podstatě kvantová verze běžného počítačového bitu — dokáže uchovávat kvantovou informaci. Ale v tomto případě ho použili jako detektor.

Qubit opakovaně kontroloval rezonátor během jeho dvoumilisekundové životnosti. Ptával se jednoduché otázky: „Je tam fonon, nebo ne?" Opakováním této otázky mohli přesně určit, kdy k kvantovému skoku došlo.

Vedoucí výzkumník Takuma Makihara to řekl hezky: museli vyvinout nové procesy, aby vytvořili tento dlouho vibrující objekt a pak ho propojili s jejich miniaturním elektrickým detektorem, aniž by jeden nebo druhý zničili. To je v podstatě kvantové inženýrství v kostce — udržet neuvěřitelně křehké věci funkční, zatímco je zkoušíte.

Proč by vám to mělo být jedno?

Takže můžeme sledovat, jak zvuk dělá kvantové věci. Velká věc, ne?

Vlastně ano, docela obrovská. Tady je důvod.

Kvantové počítače získávají nový nástroj

Kvantové počítače mají potenciál řešit problémy, které by běžným počítačům trvaly déle, než je stáří vesmíru. Ale je tu háček: kvantové stavy jsou neuvěřitelně křehké. Mohou se rozpadnout dřív, než váš výpočet skončí, a přinést chyby.

Tady je ta věc: v mnoha nastaveních kvantových počítačů může kvantový skok ve skutečnosti signalizovat, že se děje chyba. Když dokážeme tyto skoky detekovat ve zvukových systémech, možná máme nový a silný způsob, jak chyby zachytit a opravit dřív, než nám zkazí výpočty.

Senzory pro věci, které zatím nedokážeme detekovat

Tým ze Stanfordu už spolupracuje s výzkumníky z Caltechu na zkoumání, zda by tato technologie mohla detekovat a identifikovat bílkoviny uvnitř živých buněk. Zamyslete se nad tím, co to znamená: možná se blíží budoucnost, kde kvantově-mechanické zvukové senzory budou schopné identifikovat nemoci ještě předtím, než se objeví příznaky.

Lepší ovládání zvuku pro všechno

A tady je něco bezprostřednějšího: lepší kontrola nad vibracemi by mohla zlepšit zvukovou technologii ve vašem smartphonu a dalších zařízeních. Stejné principy, které tu fungují, by mohly vést k vytříbenějším akustickým technologiím v gadgetech, které používáme každý den.

Větší obrázek

Co mě na tomto výzkumu opravdu zasahuje, je to, co reprezentuje. Nejde jen o zaškrtnutí dalšího bodu v seznamu „pozorovaných kvantových jevů". Budujeme technologie, které by mohly skutečně transformovat náš svět.

Safavi-Naeini to vyjádřil dobře: „Viděli jsme, že vibrující objekty mohou vykazovat kvantové chování, což je předpoklad pro mnoho operací potřebných v kvantovém počítání a snímání."

Překlad: Dokázali jsme, že podivná pravidla řídící malé částice platí také pro běžné objekty jako vibrující membrány. To je obrovský koncepční skok a otevírá dveře, o kterých jsme ani nevěděli, že existují.

Tento výzkum je stále raná fáze. Pravděpodobně jsme roky daleko od praktických kvantových zvukových technologií. Ale každý průlom začíná někde, a sledovat zvuk dělat kvantové skoky je docela pozoruhodné „někde".

Příště, když uslyšíte zazvonit zvonek nebo ucítíte, jak telefon vibruje, vzpomeňte si: na nejhlubší úrovni reality jsou tyto zvuky tvořeny malinkatými částicemi přeskakujícími mezi stavy způsoby, které teprve začínáme chápat. Fyzika je divoká, a upřímně? Závidím, že žijeme v době, kdy stále objevujeme fundamentálně nové věci o tom, jak vesmír funguje.