فیزیک‌دانان دانشگاه استنفورد موفق شدند مشاهده کنند که یک ساختار مکانیکی بسیار کوچک و در حال ارتعاش، در یک جهش ناگهانی کوانتومی، یک واحد منفرد از انرژی صوتی خود را از دست می‌دهد. این یافته می‌تواند به پیشرفت رایانش کوانتومی و فناوری‌های حسگری دقیق کمک کند.
یک تشدیدگر مکانیکی بسیار کوچک، ساختاری که مانند دیاپازون به ارتعاش درمی‌آید، به پژوهشگران دانشگاه استنفورد اجازه داده است برای نخستین بار نگاهی دقیق به نحوه ناپدید شدن صدا در مقیاس کوانتومی داشته باشند. آن‌ها مشاهده کردند که این ساختار یک فونون از دست می‌دهد؛ کوچک‌ترین واحد گسسته صدا که می‌توان آن را در این مقیاس در نظر گرفت. این نخستین مشاهده مستقیم یک جهش کوانتومی صوت محسوب می‌شود.
فونون بیانگر حرکت هماهنگ گروه بزرگی از اتم‌هاست؛ همان‌طور که فوتون یک کوانتوم نور محسوب می‌شود. اگرچه به نظر می‌رسد صدای یک زنگ به‌صورت تدریجی محو می‌شود، انرژی ارتعاشی یک تشدیدگر در واقع در گام‌های گسسته تغییر می‌کند. این انتقال‌های ناگهانی میان حالت‌های انرژی، «جهش کوانتومی» نام دارند.
جهش‌های کوانتومی می‌توانند خطاهای رایانشی را نشان دهند
این تیم به سرپرستی امیر صفوی‌نائینی، فیزیک‌دان دانشگاه استنفورد، یافته‌های خود را در مجله Science منتشر کرده است. شناسایی این جهش‌ها می‌تواند به پژوهشگران در حل یکی از مشکلات مهم رایانش کوانتومی کمک کند: تشخیص زمان وقوع خطا در جریان یک محاسبه.
رایانه‌های کوانتومی این ظرفیت را دارند که برخی محاسبات پیچیده را که از توان رایانه‌های معمولی خارج است، انجام دهند؛ اما حالت‌های کوانتومی شکننده آن‌ها ممکن است پیش از پایان محاسبات دچار خطا شوند. در بسیاری از معماری‌های پیشنهادی برای رایانش کوانتومی، یک جهش کوانتومی می‌تواند نشان‌دهنده وقوع خطا باشد. تشخیص دقیق زمان وقوع این جهش‌ها تاکنون دشوار بوده است؛ بنابراین ردیابی آن‌ها در سیستم‌های صوتی می‌تواند گامی در مسیر اصلاح خطاهای کوانتومی باشد.
ردیابی یک فونون در تنها دو میلی‌ثانیه
انجام این اندازه‌گیری به آشکارسازی نیاز داشت که بتواند به‌طور مکرر وضعیت تشدیدگر را بررسی کند، بدون اینکه حالت کوانتومی شکننده آن را مختل کند. تاکوما ماکیهارا و اریک زاکیل، نویسندگان اول مشترک این پژوهش، روشی برای اتصال تشدیدگر به یک کیوبیت ابررسانا توسعه دادند. کیوبیت ابررسانا نوعی مدار الکتریکی است که می‌تواند اطلاعات کوانتومی را ذخیره کند و به‌عنوان آشکارساز نیز عمل کند.
ماکیهارا، که به‌تازگی دوره دکتری خود را در دانشگاه استنفورد به پایان رسانده است، گفت:
ما مجبور بودیم به‌طور مداوم فرایندهای جدیدی توسعه دهیم تا این ساختار ارتعاشی با طول عمر بسیار بالا را بسازیم و سپس آن را به کیوبیت، یعنی آشکارساز الکتریکی کوچک خودمان، متصل کنیم؛ بدون اینکه هیچ‌کدام از این دو سامانه را خراب کنیم.
توانایی تشدیدگر برای حفظ ارتعاشات، زمان کافی را در اختیار آشکارساز قرار داد تا اندازه‌گیری‌ها را انجام دهد. این تشدیدگر می‌توانست تا دو میلی‌ثانیه به ارتعاش ادامه دهد؛ مدتی که اگر یک دیاپازون معمولی با همین قابلیت وجود داشت، معادل چند ساعت زنگ‌زدن آن بود. این زمان طولانی «افت ارتعاش» یا Ringdown Time، یعنی مدت‌زمانی که طول می‌کشد ارتعاش به‌تدریج کاهش پیدا کند، به پژوهشگران اجازه داد صدها بار وضعیت سیستم را بررسی کنند.
در جریان این بررسی‌های مکرر، کیوبیت توانست میان حالتی که دارای یک فونون بود و حالتی که هیچ فونونی نداشت، تمایز قائل شود. پژوهشگران با دنبال کردن این اندازه‌گیری‌ها در طول زمان توانستند لحظه‌ای را شناسایی کنند که تشدیدگر از حالت «۱» به حالت «۰» جهش کرد.
این نتیجه، ادامه‌دهنده سابقه‌ای بیش از یک قرن در مطالعه جهش‌های کوانتومی است. جهش‌های کوانتومی در اوایل دهه ۱۹۰۰ نظریه‌پردازی شدند، نخستین‌بار در سال ۱۹۸۶ در یون‌های به‌دام‌افتاده به‌طور تجربی مشاهده شدند و سپس در سال ۲۰۰۷ در فوتون‌ها نیز به مشاهده رسیدند. آزمایش‌های قبلی روی صدا شواهدی از جهش‌های کوانتومی ارائه کرده بودند، اما نتوانسته بودند جهش‌های منفرد را به‌صورت مستقیم و در لحظه ردیابی کنند.
گامی به‌سوی شناسایی پروتئین‌ها درون سلول‌ها
صفوی‌نائینی، دانشیار فیزیک کاربردی در دانشکده علوم انسانی و علوم دانشگاه استنفورد، گفت:
این مطالعه به ما اجازه می‌دهد توسعه فناوری‌های کوانتومی جدید مبتنی بر صدا را پیش ببریم. ما نشان داده‌ایم که ساختارهای در حال ارتعاش می‌توانند رفتار کوانتومی از خود نشان دهند؛ موضوعی که پیش‌نیاز بسیاری از عملیات موردنیاز برای رایانش کوانتومی و حسگری است.
این تشدیدگر با استفاده از فناوری‌های ساخت تراشه تولید شده و آن‌قدر کوچک است که تعداد زیادی از آن‌ها می‌توانند روی یک تراشه واحد قرار بگیرند و وظایف پیچیده‌ای را انجام دهند. اندازه کوچک این ساختار، در کنار حساسیت بالای سامانه تشدیدگر و کیوبیت، می‌تواند زمینه را برای حسگری با دقت بسیار بالا نیز فراهم کند.
تیم صفوی‌نائینی در حال همکاری با گروه مایکل روکِس، فیزیک‌دان مؤسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech)، است تا از این پلتفرم برای توسعه روشی جهت شناسایی و تشخیص پروتئین‌ها درون سلول‌ها استفاده کند.
زاکیل، دانشجوی دکتری در آزمایشگاه صفوی‌نائینی، معتقد است این پیشرفت در نهایت می‌تواند به بهبود گوشی‌های هوشمند و سایر دستگاه‌های روزمره‌ای که به صدا متکی هستند نیز کمک کند.
او گفت:
این پژوهش نشان می‌دهد که می‌توانیم کنترل بسیار دقیقی روی صدا داشته باشیم؛ موضوعی که می‌تواند به معنای پیشرفت چشمگیر دستگاه‌هایی باشد که از صدا به‌عنوان یک فناوری بنیادی استفاده می‌کنند.
منبع: Scitechdaily
