Forskare vid Stanford har för första gången följt ljudets kvantsprång i realtid i en mekanisk resonator. Med en extremt känslig detektor kunde de se när vibrationsenergin minskade med ett enda energikvantum, en så kallad fonon.
Resultaten presenteras i den vetenskapliga tidskriften Science under titeln ”Quantum jumps of sound”. Experimentet handlar om energiförändringar i ett vibrerande föremål – inte om att forskarna har hört ett nytt slags ljud. (Science)
Vad är ljudets kvantsprång?
I kvantfysiken kan energin i en bestämd vibration bara anta vissa nivåer. Skillnaden mellan två intilliggande nivåer motsvarar en fonon. Ett kvantsprång innebär att systemet övergår från en sådan nivå till en annan. Fononer beskriver vibrationer i materialet, inte enskilda atomer som hoppar mellan olika platser.
Att mekaniska system kan uppvisa kvantegenskaper är känt sedan tidigare. I ett experiment från 2018 skapade forskare exempelvis en kvantmekanisk överlagring av tillstånd med noll och en fonon. Skillnaden är viktig: att skapa och undersöka kvanttillstånd är inte samma sak som att följa ett enskilt energihopp medan det inträffar.
Stanfordgruppen följde övergången från en fonon till noll fononer. Det är denna direkta observation av enskilda övergångar i realtid som universitetet beskriver som det nya framsteget. (Stanford Humanities and Sciences)
Hundratals mätningar på två millisekunder
I försöket kopplades en mikroskopisk mekanisk resonator till en supraledande kvantbit, en elektrisk krets som fungerade som detektor. Resonatorn kunde behålla vibrationsenergin i omkring två millisekunder. Det räckte för att göra hundratals avläsningar och identifiera när fononen försvann.
Mätningen behöver ske tillräckligt snabbt för att flera observationer ska hinnas med innan tillståndet förändras. Annars riskerar forskarna att missa övergången. Balansen mellan mäthastighet och hur länge ett tillstånd överlever är ett centralt villkor som tidigare teoretiska studier av fononers kvantsprång har pekat ut. Det räcker alltså inte med en känslig detektor – systemet måste också bevara sin energi tillräckligt länge.
Öppna mätdata går att granska
Forskarna har publicerat både mätdata och analyskod öppet på Zenodo. Materialet innehåller bland annat 8 447 utvalda mätserier, där varje serie omfattar 294 kontroller. Där finns också de tre mätförlopp som visas i studiens fjärde figur. (zenodo.org)
Antalet mätserier ska inte förväxlas med antalet observerade kvantsprång. Databeskrivningen anger hur serierna har valts ut, och materialet innehåller kod för att analysera förloppen. Därmed kan andra forskare granska mer än enbart de exempel som presenteras i artikeln och undersöka hur analysen har genomförts.
Kan bli användbart för framtidens kvantteknik
Mekaniska vibrationer har sedan tidigare undersökts som möjliga bärare av kvantinformation, exempelvis i kvantminnen. Då blir det viktigt att kunna kontrollera och mäta tillstånden, inte bara skapa dem. Tidigare experiment har visat hur tillstånd med flera fononer kan förberedas och kartläggas, vilket lagt en grund för fortsatt utveckling.
Enligt Stanford kan den nya mättekniken bidra till framtida felkorrigering och känsligare sensorer. Studien visar däremot inte en färdig kvantdator eller kommersiell produkt. Det konkreta framsteget är möjligheten att följa enskilda energisprång i ett mekaniskt system.