O szczegółach tego niewątpliwego sukcesu piszą teraz na łamach Science. Zacznijmy jednak od wyjaśnienia, czym w zasadzie są skoki kwantowe. To nagłe przejścia układu między określonymi stanami energetycznymi. Wcześniej naukowcom udało się zaobserwować takie przejścia między innymi w uwięzionych jonach oraz fotonach. W przypadku dźwięku sytuacja była jednak znacznie trudniejsza. Dotychczasowe eksperymenty dostarczały pośrednich dowodów na występowanie tego zjawiska, lecz nie pozwalały obserwować pojedynczych skoków fononów w czasie rzeczywistym.
Czytaj też: Fizyk sprawdził Manewr Picarda ze Star Treka. Okazała się jeszcze lepsza niż w serialu
Zespół badawczy odpowiedzialny ze ostatnie postępy stworzył w tym celu niezwykle mały rezonator mechaniczny. Urządzenie działa podobnie do mikroskopijnego kamertonu i może przez około dwie milisekundy utrzymywać swoje drgania. W skali makroskopowej jest to bardzo krótki czas, ale na poziomie kwantowym wystarczył, aby badacze mogli wykonać setki pomiarów.
Kluczową rolę odegrało połączenie rezonatora z nadprzewodzącym kubitem. Jest to obwód elektryczny zdolny do przechowywania informacji kwantowej, który w eksperymencie pełnił również funkcję niezwykle czułego detektora. Kubit wielokrotnie sprawdzał stan rezonatora podczas jego drgań, pozwalając ustalić, czy znajdujący się w nim fonon pozostawał na określonym poziomie energetycznym, czy przeszedł na inny. Dzięki temu badacze byli w stanie określić moment wystąpienia skoku kwantowego.
W klasycznym świecie dźwięk kojarzymy z drganiami, które stopniowo wygasają. Jeśli uderzymy w dzwon, jego ruch staje się coraz słabszy, aż w końcu zanika. Na poziomie kwantowym proces wygląda inaczej. Energia drgającego układu może zmieniać się skokowo, przechodząc między ściśle określonymi poziomami. Jednym z największych wyzwań było uzyskanie informacji o stanie układu bez zniszczenia jego delikatnego stanu kwantowego. Naukowcy musieli opracować sposób integracji mechanicznego rezonatora z kubitem tak, aby oba elementy zachowały swoje właściwości. Dopiero połączenie odpowiednio długiego czasu wybrzmiewania rezonatora z wielokrotnymi pomiarami umożliwiło uchwycenie pojedynczego przejścia.
Czytaj też: Fizycy ujarzmili biały grafen. To kompletna odwrotność słynnego materiału
Sami zainteresowani podkreślają, iż eksperyment może mieć szerokie znaczenie, ponieważ możliwość wykrywania skoków kwantowych powinna w przyszłości pomóc w rozwoju komputerów kwantowych. W niektórych architekturach takie przejścia mogą odpowiadać błędom w obliczeniach. Ich dokładne wykrywanie jest więc jednym z elementów potrzebnych do skuteczniejszej korekcji błędów. Technologia może również znaleźć zastosowanie również w bardzo czułych pomiarach. Naukowcy badają między innymi możliwość wykorzystania rezonatora i kubitu do wykrywania oraz identyfikowania niezwykle małych obiektów i procesów zachodzących w materii. Z drugiej strony, nie ma co mówić o powstaniu nowej generacji komputerów kwantowych czy urządzeń elektronicznych – na to jest zdecydowanie zbyt wcześnie.
Źródło: Science
