Zvuk se u svakodnevnom iskustvu širi kao neprekinuti val, ali na kvantnoj razini njegova se energija prenosi u paketima. Takav paket zove se fonon. Znanstvenici sa Sveučilišta Stanford sada su prvi put izravno zabilježili kvantni skok zvuka: pojedinačni fonon u stvarnom vremenu prelazi iz jednog energetskog stanja u drugo.
Mjerenje, objavljeno u časopisu Science, izvedeno je u mikroskopskom mehaničkom rezonatoru. Istraživači su pratili pojedinačne kvantne skokove bez zaustavljanja sustava i bez oslanjanja samo na prosjek velikog broja mjerenja. Takav uvid otvara novi put prema kontroli mehaničkih kvantnih sustava.
Rezonator koji dugo zadržava vibraciju
Fonon je najmanji paket vibracijske energije u materijalu, kao što je foton najmanji paket elektromagnetskog zračenja. U eksperimentu je fonon bio povezan s mikroskopskim rezonatorom koji može titrati poput vrlo precizno izrađene vilice. Rezonator je nakon pobude nastavio zvoniti približno dvije milisekunde, što je iznimno dugo za sustav takve veličine.
Dulje trajanje vibracije omogućilo je timu da više puta provjeri u kojem se energetskom stanju rezonator nalazi. Da je vibracija prebrzo nestala, pojedinačni skokovi izgubili bi se u šumu mjerenja. Stabilan rezonator dao je istraživačima dovoljno vremena da razdvoje prijelaz iz jednog stanja u drugo od običnih promjena amplitude.
Kako su uhvatili skok
Za očitanje stanja rezonatora korišten je supravodljivi kubit. Taj je kvantni element poslužio kao osjetljiva sonda: njegovo stanje mijenjalo se ovisno o tome je li u mehaničkom rezonatoru bilo nula, jedan ili više fonona. Tim je tako mogao pratiti prijelaze između najnižih energetskih razina, umjesto da iz dobivenog signala samo naknadno procjenjuje što se dogodilo.
U klasičnoj fizici oscilator može imati bilo koju vrijednost energije. Kvantna mehanika dopušta samo određene razine, pa se prijelaz između njih događa u diskretnom skoku. Istraživači su u novom pokusu vidjeli upravo takve skokove i njihovo trajanje, uključujući povratke u niže stanje.
Mjerenje nije jednostavno jer svako povezivanje s okolinom može poremetiti osjetljivo kvantno stanje. Dizajn sustava morao je smanjiti gubitak energije i istodobno omogućiti dovoljno snažno očitanje. Rezultat je kompromis između izolacije rezonatora i mogućnosti da se njegovo stanje mjeri u stvarnom vremenu.
Što to znači za kvantnu tehnologiju
Izravno praćenje kvantnih skokova važno je za razvoj kvantnih računala. U takvim uređajima gubitak kvantnog stanja jedan je od glavnih izvora pogrešaka. Ako se pojedinačni prijelazi mogu prepoznati dok se događaju, sustav bi ih u budućnosti mogao ispraviti ili barem označiti prije nego što se pogreška proširi.
Mehanički rezonatori zanimljivi su i kao senzori. Na njih mogu utjecati vrlo male sile, ubrzanja i promjene mase. Bolje razumijevanje njihovih kvantnih stanja moglo bi poboljšati mjerenja u navigaciji, gravitacijskim eksperimentima i detekciji slabih signala. Na Kozmosu smo ranije pisali o mjerenju kvantnog traga slobodnog pada, gdje su fizičari također tražili načine da očitaju iznimno osjetljiv sustav bez gubitka ključne informacije.
Sljedeći eksperimenti trebali bi pratiti složenije superpozicije, u kojima se rezonator nalazi u više mogućih stanja istodobno. Za sada je najvažniji rezultat to što su istraživači pokazali da se pojedinačni kvantni skok zvuka može vidjeti dok se događa. Time se granica između mikroskopskog gibanja i mjerljive kvantne dinamike pomiče korak dalje.
Precizno očitanje važno je i zbog razlike između stvarnog kvantnog prijelaza i slučajnog šuma. Uređaj mora dovoljno dugo zadržati vibraciju, ali istodobno dopustiti da je sonda očita. Upravo ta ravnoteža određuje koliko će buduća mjerenja biti pouzdana.
Mjerenje ima i praktičnu vrijednost. Izravno očitanje pojedinačnih fonona fizičarima daje novi način provjere kako se kvantna pravila ponašaju u mehaničkim sustavima.
Autori pritom ne tvrde da će ovakav uređaj odmah postati kvantno računalo. Vrijednost pokusa je u tome što daje precizniji način provjere kako kvantni sustavi gube energiju i kako ih se može nadzirati bez potpunog prekida njihova rada. To će biti važno u budućim eksperimentima s mehaničkim elementima koji trebaju istodobno biti osjetljivi i stabilni.
