Ιστορικό ορόσημο: Καταγράφηκε για πρώτη φορά κβαντικό άλμα στον ήχο

Σύνοψη

• Επιστήμονες του Πανεπιστημίου Stanford κατέγραψαν για πρώτη φορά μεμονωμένες μονάδες ήχου (φωνόνια) να πραγματοποιούν κβαντικά άλματα σε πραγματικό χρόνο, επιβεβαιώνοντας θεωρίες που υφίστανται εδώ και περισσότερο από έναν αιώνα.
• Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε έναν εξαιρετικά μικροσκοπικό μηχανικό συντονιστή σε συνδυασμό με ένα υπεραγώγιμο qubit για να μετρήσει τις μεταβολές της ενέργειας, καταφέρνοντας να εξάγει δεδομένα χωρίς να διαταράξει το εξαιρετικά εύθραυστο κβαντικό σύστημα.
• Το σπουδαίο αυτό επίτευγμα αναμένεται να συμβάλει καθοριστικά στη βελτίωση της διόρθωσης σφαλμάτων στους κβαντικούς υπολογιστές, λύνοντας ένα από τα σημαντικότερα τεχνικά εμπόδια που καθυστερούν την ευρεία υιοθέτηση της κβαντικής υπολογιστικής.
• Η ενσωμάτωση τέτοιων μηχανισμών μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη υπερευαίσθητων αισθητήρων για την ανίχνευση πρωτεϊνών στο εσωτερικό των κυττάρων, ενώ μακροπρόθεσμα αναμένεται να επηρεάσει ριζικά τον σχεδιασμό των μελλοντικών smartphones.

Για περισσότερο από έναν αιώνα, η έννοια του κβαντικού άλματος αποτελούσε έναν από τους ακρογωνιαίους λίθους της σύγχρονης φυσικής, περιγράφοντας την ακαριαία μετάβαση ενός κβαντικού συστήματος από μια ενεργειακή κατάσταση σε μια άλλη χωρίς να μεσολαβούν ενδιάμεσα στάδια. Παρόλο που οι επιστήμονες κατάφεραν να παρατηρήσουν απευθείας αυτές τις ξαφνικές μεταβάσεις σε παγιδευμένα ιόντα το 1986 και αργότερα στα φωτόνια, τα οποία αποτελούν τα θεμελιώδη σωματίδια του φωτός, το 2007, ο ήχος παρέμενε ένα ανεξερεύνητο πεδίο που ανθίστατο στις προσπάθειες άμεσης παρατήρησης εξαιτίας της πολύπλοκης φύσης του. 

Μόλις πρόσφατα, μια ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο Stanford ανακοίνωσε την πρώτη άμεση καταγραφή κβαντικών αλμάτων στον ήχο μέσα από έναν μηχανικό συντονιστή, ολοκληρώνοντας ένα τεράστιο επιστημονικό ταξίδι και δημοσιεύοντας τα ευρήματα στο έγκριτο περιοδικό Science.

Προκειμένου να κατανοήσουμε το μέγεθος αυτού του επιτεύγματος, οφείλουμε να διαχωρίσουμε τη συμπεριφορά του φωτός από εκείνη του ήχου στο κβαντικό επίπεδο, καθώς η κβαντική μονάδα του φωτός εκπροσωπείται από ένα μεμονωμένο φωτόνιο, ενώ η κβαντική μονάδα του ήχου (φωνόνιο), αντιπροσωπεύει τη συντονισμένη και συλλογική κίνηση μιας εξαιρετικά μεγάλης ομάδας ατόμων. 

Στην κλίμακα της ανθρώπινης αντίληψης, η δονητική κίνηση που παράγεται από τον ήχο, όπως ακριβώς συμβαίνει όταν χτυπάμε μια καμπάνα, φαίνεται να μειώνεται σταδιακά και ομαλά μέχρι να επέλθει η απόλυτη σιωπή, χωρίς να γίνονται αντιληπτές απότομες διακυμάνσεις. Στο κβαντικό επίπεδο ωστόσο, η δονητική ενέργεια ενός συντονιστή αλλάζει μέσα από διακριτά βήματα ή άλματα, εμφανίζοντας την ίδια ακριβώς συμπεριφορά που παρατηρείται στα ιόντα και τα φωτόνια, με τις προηγούμενες πειραματικές προσπάθειες να έχουν βρει μόνο έμμεσες ενδείξεις αυτής της δραστηριότητας χωρίς ποτέ να καταγράφουν τα ίδια τα φωνόνια να μεταπηδούν σε πραγματικό χρόνο.

Η επιτυχία του πειράματος στο Stanford βασίστηκε σε μεγάλο βαθμό στον εξαιρετικά προσεκτικό σχεδιασμό του μηχανικού συντονιστή, ο οποίος κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας τις πιο προηγμένες τεχνικές παραγωγής μικροτσίπ, επιτρέποντας την ενσωμάτωση πολλαπλών τέτοιων διατάξεων σε μια ενιαία πλατφόρμα για την εκτέλεση εξαιρετικά πολύπλοκων λειτουργιών. Λειτουργώντας πρακτικά σαν ένα μικροσκοπικό διαπασών, ο συντονιστής αυτός διαθέτει την εντυπωσιακή ικανότητα να δονείται για δύο ολόκληρα χιλιοστά του δευτερολέπτου, ένας χρόνος που στο κβαντικό περιβάλλον θεωρείται κολοσσιαίος αν αναλογιστεί κανείς πως ένα διαπασών κανονικού μεγέθους με τις ίδιες αναλογίες διατήρησης της ενέργειας θα συνέχιζε να ηχεί αδιάκοπα για πολλές ώρες. Αυτός ο παρατεταμένος χρόνος αντήχησης έδωσε στους ερευνητές το απαραίτητο χρονικό περιθώριο ώστε να λάβουν εκατοντάδες διαδοχικές μετρήσεις και να προσδιορίσουν με απόλυτη ακρίβεια τη στιγμή που η δόνηση έπαυε να υφίσταται και ο ήχος πραγματοποιούσε το άλμα του από την ενεργειακή κατάσταση του 1 στο απόλυτο 0.

Το μεγαλύτερο εμπόδιο που κλήθηκε να ξεπεράσει η επιστημονική ομάδα αφορούσε την ικανότητα εξαγωγής ενός καθαρού σήματος από το κβαντικό σύστημα, χωρίς ταυτόχρονα να προκληθεί η κατάρρευση της απίστευτα εύθραυστης κατάστασής του, ένα πρόβλημα που ταλανίζει διαχρονικά την κβαντική μηχανική σε όλα τα επίπεδα εφαρμογής της. Οι επικεφαλής συγγραφείς της μελέτης, Takuma Makihara και Erik Szakiel, ανέπτυξαν μια καινοτόμο μέθοδο σύζευξης του μικροσκοπικού μηχανικού συντονιστή με ένα υπεραγώγιμο qubit, δηλαδή ένα εξειδικευμένο ηλεκτρικό κύκλωμα που λειτουργεί ως ανιχνευτής και έχει την ικανότητα να αποθηκεύει κβαντικές πληροφορίες. Το υπεραγώγιμο qubit αναλαμβάνει να διαβάζει διαρκώς την κατάσταση του μηχανικού συντονιστή κατά τη διάρκεια των δύο χιλιοστών του δευτερολέπτου, ελέγχοντας ξανά και ξανά αν το φωνόνιο στο εσωτερικό του βρίσκεται στο ενεργειακό επίπεδο 1 ή στο 0, γεγονός που επέτρεψε την ακριβή αποτύπωση της χρονικής στιγμής που συντελείται το κβαντικό άλμα χωρίς να καταστραφεί κανένα από τα δύο υποσυστήματα.

Οι προεκτάσεις αυτής της εντυπωσιακής ανακάλυψης εκτείνονται πολύ πέρα από τα στενά όρια της ακαδημαϊκής έρευνας, καθώς η δυνατότητα εντοπισμού των κβαντικών αλμάτων του ήχου αναμένεται να προσφέρει άμεσες λύσεις στο εξαιρετικά περίπλοκο πρόβλημα της διόρθωσης σφαλμάτων στους κβαντικούς υπολογιστές. Αν και οι κβαντικοί υπολογιστές υπόσχονται την εκτέλεση ασύλληπτα πολύπλοκων υπολογισμών που ξεπερνούν τις δυνατότητες των παραδοσιακών συστημάτων, οι εξαιρετικά ευαίσθητες κβαντικές τους καταστάσεις μπορούν να προκαλέσουν σφάλματα πριν καν ολοκληρωθεί ένας υπολογισμός, με τα κβαντικά άλματα να αντιπροσωπεύουν συνήθως την πηγή αυτών των σφαλμάτων. Η ικανότητα των μηχανικών να ανιχνεύουν πλέον πότε ακριβώς συμβαίνει ένα άλμα στον ήχο τους επιτρέπει να εντοπίζουν το σφάλμα την ώρα που γεννάται, κάνοντας ένα τεράστιο βήμα προς την αξιοπιστία των μελλοντικών κβαντικών αρχιτεκτονικών.

Παράλληλα, ο μοναδικός συνδυασμός του μηχανικού συντονιστή με το υπεραγώγιμο qubit, χάρη στο εξαιρετικά μικρό του μέγεθος και την πρωτοφανή του ευαισθησία, δημιουργεί το ιδανικό υπόβαθρο για την κατασκευή αισθητήρων απαράμιλλης ακρίβειας που θα εξυπηρετήσουν τον τομέα της ιατρικής και της βιολογίας. Η ερευνητική ομάδα του καθηγητή Safavi-Naeini, σε στενή συνεργασία με την ερευνητική ομάδα του φυσικού Michael Roukes από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνια (Caltech), διερευνά ήδη τους τρόπους με τους οποίους η συγκεκριμένη πλατφόρμα θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για τον εντοπισμό και την ταυτοποίηση μεμονωμένων πρωτεϊνών μέσα στα ζωντανά κύτταρα.

Οι καταναλωτικές τεχνολογίες που χρησιμοποιούμε καθημερινά δεν πρόκειται να μείνουν ανεπηρέαστες, αφού η λειτουργία των σύγχρονων smartphones βασίζεται σε τεράστιο βαθμό στα ακουστικά κύματα, με τους ερευνητές να επισημαίνουν πως ο λεπτομερής έλεγχος του ήχου στο κβαντικό επίπεδο θα οδηγήσει στην κατασκευή πολύ πιο αποδοτικών, μικρότερων και ακριβέστερων συσκευών για το ευρύ κοινό.