Ensimmäinen havainto äänen kvanttihypystä

Stanfordin yliopiston tiimi on dokumentoinut ensimmäisen suoran havainnon äänen kvanttihypyistä mekaanisessa resonaattorissa, täydentäen yli sata vuotta sitten alkaneen tieteellisen tutkimuskaaren.

Kvanttihyppyjä – äkillisiä siirtymiä yhdestä energiatilasta toiseen – on teorioitu 1900-luvun alkupuolelta lähtien. Tutkijat osoittivat nämä hypyt ensimmäisen kerran loukkuun jääneissä ioneissa vuonna 1986 ja myöhemmin fotoneissa, valon perushiukkasissa, vuonna 2007.

Äänen kvanttihyppyjen havaitseminen oli jäänyt vaikeaksi, mutta Stanfordin fyysikon Amir Safavi-Naeinin johtama ryhmä on tallentanut nämä ilmiöt ja julkaissut havainnot Science- lehdessä.

”Tämän tutkimuksen tulokset antavat meille mahdollisuuden edetä uusien ääntä hyödyntävien kvanttiteknologioiden kehittämisessä”, sanoo sovelletun fysiikan apulaisprofessori Safavi-Naeini. ”Olemme nähneet, että värähtelevät kappaleet voivat käyttäytyä kvanttimaisesti, mikä on edellytys monille kvanttilaskennan ja -antureiden tarvitsemille toimille.”

Vaikka valon kvanttiyksikkö – sen pienin mahdollinen diskreetti osa – on yksittäinen fotoni, äänen kvanttiyksikkö eli "fononi" edustaa suuren atomiryhmän koordinoitua liikettä.

Ihmisen aisteille äänen aiheuttama värähtelyliike, kuten lyödyn kellon värähtelyliike, näyttää heikkenevän vähitellen sen sijaan, että se tekisi äkillisen hypyn pysähtyneisyyteen. Kvanttitasolla resonaattorin värähtelyenergia kuitenkin muuttuu erillisissä askeleissa eli hypyissä, samalla tavalla kuin ionien ja fotonien kvanttikäyttäytyminen. Aiemmissa kokeissa oli löydetty todisteita näistä hypyistä, mutta tämä tutkimus on ensimmäinen, joka osoittaa yksittäisten fononien tekevän kvanttihyppyjä reaaliajassa.

Tutkimuksen työkaluna oli mekaaninen resonaattori, joka mikroskooppisen virityshaarukan tavoin saattoi värähdellä kahden millisekunnin ajan. Näin pitkä resonanssi mahdollisti satojen lukemien ottamisen sen hetken määrittämiseksi, jolloin värähtelyä ei enää ollut läsnä ja ääni hyppäsi – kun se siirtyi energiatilasta 1 energiatilaan 0. Lisäksi resonaattori yhdistettiin suprajohtavaan kubittiin, joka tallensi kvantti-informaatiota ja toimi ilmaisimena.

Tämä tutkimus edustaa perustavanlaatuista ensimmäistä askelta, mutta kyky havaita äänen kvanttihyppyjä voi johtaa useisiin edistysaskeliin.

Se voisi auttaa ratkaisemaan esimerkiksi kvanttilaskennan virheenkorjausongelman. Monissa kvanttilaskennan arkkitehtuureissa kvanttihyppy edustaa virhettä, mutta niiden tapahtumisajankohdan tunnistaminen on ollut vaikeaa. Siksi kyky havaita kvanttihyppyjä äänessä on tärkeä askel kohti virheenkorjausta.

Pienen kokonsa ja suuren herkkyytensä ansiosta mekaanisen resonaattorin ja kubitin yhdistelmää voitaisiin käyttää myös erittäin tarkkaan tunnistukseen. Esimerkiksi Safavi-Naeinin tiimi yhteistyössä fyysikko Michael Roukesin tiimin kanssa Caltechissa tutkii jo tämän alustan käyttöä proteiinien havaitsemiseen ja tunnistamiseen soluissa.

Myös arkipäivän teknologiat voisivat hyötyä. Ääni on olennainen osa älypuhelimia ja monia muita laitteita, ja tämä edistysaskel voisi olla askel kohti näiden tuotteiden seuraavaa sukupolvea, sanoi Szakiel, nykyinen tohtoriopiskelija Safavi-Naeinin laboratoriossa.

"Tämä osoittaa, että voimme hallita ääntä uskomattoman tarkasti, mikä voi tarkoittaa, että ääntä perusteknologiana käyttävät laitteet voivat kehittyä paljon paremmiksi", hän sanoi.

Aiheesta aiemmin:

RF-fotoneja ja kvanttihyppyjä