Zespół badawczy z Uniwersytetu Stanforda zarejestrował w czasie rzeczywistym, jak mikroskopijny rezonator traci pojedynczy kwant drgań. Aby osiągnąć ten cel, konieczne było przeprowadzenie setek odczytów w ciągu zaledwie dwóch milisekund. To odkrycie może przyczynić się do rozwoju komputerów kwantowych oraz niezwykle wrażliwych czujników.
Zespół z Uniwersytetu Stanforda przeprowadził pionierskie badania, rejestrując pojedyncze skoki kwantowe energii drgań w rezonatorze mechanicznym. Jak wskazują autorzy, jest to pierwsza bezpośrednia obserwacja takich zjawisk w czasie rzeczywistym w tym typie układu. O szczegółach informuje szczegółowy artykuł opublikowany w czasopiśmie „Science”. Osiągnięcie to stało się możliwe dzięki połączeniu długo utrzymujących się drgań z detektorem, który śledził energię, unikając jednocześnie niepożądanych zakłóceń, co jest sporym wyzwaniem w świecie kwantowym.
Fonon jako szczególny kwant
Dźwięk postrzegamy jako falę, co jest słuszne. Fala ta z upływem czasu słabnie. Gdy dzwony przestają bić, dźwięk wydobywający się z nich również cichnie, ponieważ drgania ustają. Na poziomie kwantowym energia określonego rodzaju drgań jest wymieniana w oddzielnych porcjach, nazywanych fononami, które wiążemy z skoordynowanym ruchem wielu atomów materiału. Fonon jest zatem akustycznym odpowiednikiem fotonu, czyli kwantu światła. W przeprowadzonym eksperymencie zaobserwowano przejście od jednego takiego wzbudzenia do zera, czyli powrót badanego trybu drgań do stanu podstawowego.
Skoki kwantowe przewidywano już na początku XX wieku: po raz pierwszy zaobserwowano je w uwięzionych jonach w 1986 roku oraz w przypadku fotonów w 2007 roku. W układach mechanicznych jest to jednak znacznie trudniejsze, ponieważ należy jednocześnie utrzymać wzbudzenie przez odpowiednio długi czas oraz odczytywać stan bez generowania nadmiernych zakłóceń. Dotychczasowe badania dostarczały głównie dowodów na kwantowy charakter takich systemów, lecz zaobserwowanie pojedynczych przejść w trakcie ich występowania było poza naszym zasięgiem.
Dwie milisekundy i setki odczytów
Badany rezonator został wykonany za pomocą metod stosowanych w produkcji układów scalonych i jest na tyle mały, że można by umieścić setki takich urządzeń w jednym chipie, na przykład w telefonie. Sam rozmiar nie decyduje jednak o niczym: kluczowa okazała się zdolność utrzymywania drgań przez około dwie milisekundy. Dla nas to niemal niezauważalny ułamek czasu, w którym pomieszczono setki odczytów, niezbędnych do ustalenia momentu, w którym energia spadła o jeden kwant.
Do odczytu wykorzystano nadprzewodzący kubit, czyli obwód elektryczny zdolny do przechowywania informacji kwantowej, którego użyto w charakterze detektora. Połączenie tego kubitu z rezonatorem pozwoliło zachować właściwości obu elementów, które są bardzo małe i delikatne. Każdy odczyt musiał być nie tylko prawidłowy i dokładny, ale również na tyle słaby, by nie generować nadmiernych zakłóceń w układzie, co umożliwiało wykonywanie kolejnych, sensownych pomiarów. Kubit wielokrotnie weryfikował, czy rezonator wciąż zawiera jeden fonon, czy już przeszedł do stanu bezfononowego. Ciąg setek odczytów wskazał na konkretny moment, w którym sygnał detektora przestał sygnalizować obecność pojedynczego wzbudzenia.
Technologie kwantowe nam za to podziękują
Dla komputerów kwantowych utrata wzbudzenia może być poważnym błędem obliczeniowym, zanim urządzenie zakończy swoje obliczenia. Aby komputery kwantowe funkcjonowały poprawnie, warto byłoby wcześniej wykrywać takie zdarzenia. Od teraz mamy zatem dowód na możliwość monitorowania przynajmniej jednego rodzaju takich zmian na poziomie pojedynczego kwantu. Możliwość wykrycia błędu stanowi istotny krok naprzód: następnie można zbudować rozwiązania mające na celu jego korekcję.
Czytaj również: To pierwszy raz, gdy komputer kwantowy osiągnął taki wynik. Czy to święty Graal?
Autorzy wskazują również na potencjał wytwarzania niezwykle czułych czujników łączących rezonator z kubitem. Dodatkowo trwają prace mające na celu wykorzystanie tej platformy do wykrywania i identyfikowania białek w komórkach. Potencjalne zastosowania są niezwykle szerokie i to bardzo dobra wiadomość dla nauki. Choć wydaje się, że eksperyment jest dość hermetyczny, a jego zrozumienie może być trudne, kluczowe jest to, że przyniesie on znaczące korzyści, które są niezwykle potrzebne w rozwoju technologii kwantowych.