Wyobraź sobie, że chcesz sfotografować dokładnie ten ułamek sekundy, w którym bańka mydlana pęka, ale samo mrugnięcie migawki ją niszczy. Dokładnie taki paradoks przez dekady blokował fizyków chcących uchwycić kwantowe skoki energii w układach mechanicznych. Zespołowi z Uniwersytetu Stanforda udało się go wreszcie obejść i zarejestrować na żywo moment, w którym maleńki rezonator traci jedną niepodzielną porcję energii drgań.
Najważniejsze:
- Naukowcy ze Stanfordu jako pierwsi bezpośrednio zaobserwowali w czasie rzeczywistym utratę pojedynczego kwantu drgań (fononu) w rezonatorze mechanicznym; wyniki opublikowano w czasopiśmie Science.
- Kluczem do sukcesu było połączenie rezonatora utrzymującego drgania przez około dwie milisekundy z nadprzewodzącym kubitem działającym jako wyjątkowo nieinwazyjny detektor.
- W ciągu tych dwóch milisekund wykonano setki odczytów, jeśli przyjąć, że było ich około pięciuset, odpowiada to tempu rzędu 250 kHz, każdy musiał być precyzyjny, a zarazem na tyle delikatny, by nie zniszczyć mierzonego stanu przed następnym pomiarem.
- Wcześniej skoki kwantowe obserwowano w uwięzionych jonach i fotonach, ale nie w układach mechanicznych, gdzie jednoczesne utrzymanie wzbudzenia i nieinwazyjny odczyt były barierą nie do pokonania przez dziesięciolecia.
- Odkrycie otwiera drogę do wykrywania błędów w komputerach kwantowych oraz do sensorów zdolnych identyfikować pojedyncze białka w komórkach.
Dlaczego układy mechaniczne były najtwardszym orzechem do zgryzienia
Skoki kwantowe to nie nowość w fizyce, przewidywano je już na początku XX wieku, a obserwowano bezpośrednio w uwięzionych jonach i w układach fotonowych. Dlaczego więc układy mechaniczne czekały tak długo na swój moment? Odpowiedź tkwi w wyjątkowo brutalnym zestawie wymagań, które musiały być spełnione jednocześnie.
Jony można izolować elektromagnetycznie, odcinając je od otoczenia. Fotony nie oddziałują z materią tak silnie jak drgania mechaniczne. Rezonator to jednak zupełnie inna kategoria: on sam jest materią, zbiorem atomów, które drgają. Każda próba pomiaru to dosłownie „popchnięcie” tych atomów, co może wytrącić układ ze stanu, który właśnie próbujemy zmierzyć. Przez dekady te dwa wymagania, długie życie wzbudzenia i nieinwazyjny odczyt, były ze sobą sprzeczne w praktyce laboratoryjnej. Poprzednie doświadczenia dostarczały dowodów na kwantowy charakter takich układów, jednak uchwycenie pojedynczych przejść w chwili ich zachodzenia pozostawało poza zasięgiem.
Fonon: dźwięk skwantowany, nie płynny
Zanim zrozumiemy, co dokładnie zmierzono, warto wyjaśnić, o jakiej energii w ogóle mówimy. Dźwięk, który znamy z codzienności, wygasa płynnie: dzwon bije, drgania słabną stopniowo, fala akustyczna cichnie. Na poziomie kwantowym energia drgań nie zanika jednak w sposób ciągły, jest przekazywana w oddzielnych, niepodzielnych porcjach.
Taką porcję fizycy nazywają fononem. Można go rozumieć jako efekt zsynchronizowanego ruchu ogromnej liczby atomów materiału, kolektywne drżenie, które przenosi energię jak pojedynczy „pakunek”. Fonon pełni w akustyce rolę analogiczną do tej, jaką foton pełni w optyce: jest najmniejszą możliwą jednostką danego rodzaju wzbudzenia. W eksperymencie ze Stanfordu zaobserwowano właśnie chwilę, w której układ przeskoczył z poziomu jednego takiego wzbudzenia na poziom zerowy, osiągając kwantowe dno, poniżej którego nie ma już czego odbierać.
Dwie milisekundy, setki głosów, jeden moment
Rezonator użyty w eksperymencie powstał metodami stosowanymi przy produkcji układów scalonych. Jest tak mały, że setki takich urządzeń zmieściłyby się na jednym chipie trafiającym do smartfona, choć dla przeciętnego użytkownika jego rozmiar ma znaczenie drugorzędne. Kluczowe okazało się to, że rezonator potrafił utrzymywać drgania przez około dwie milisekundy.
Dwie milisekundy to dla nas praktycznie niezauważalna część mrugnięcia okiem. W świecie kwantowym to jednak wystarczająco długo, by zmieścić setki odczytów. Dla zobrazowania skali: gdyby tych odczytów było około pięciuset, oznaczałoby to tempo pracy detektora rzędu 250 kHz, szybciej, niż ludzkie ucho jest w stanie zarejestrować jakikolwiek dźwięk. Każdy z tych odczytów zadawał to samo pytanie: czy rezonator wciąż przechowuje jedno wzbudzenie, czy zdążył już przejść do stanu o zerowej liczbie fononów?
To nie był jeden genialny pomiar, to była statystyczna pułapka zastawiona na uciekający kwant. Tradycyjny detektor szukałby pojedynczego sygnału „włącz/wyłącz”. Tu każdy odczyt mówił jedynie „być może zawiera, być może nie”, dopiero setki takich cząstkowych odpowiedzi złożyły się w obraz wystarczająco ostry, by wskazać konkretną chwilę, od której sygnał detektora przestał wykazywać obecność wzbudzenia. Statystyka zastąpiła tu niemożliwą do wykonania jednorazową obserwację.
Za każdy odczyt odpowiadał nadprzewodzący kubit, obwód elektryczny zdolny do przechowywania informacji kwantowej, wykorzystany tu jako detektor. Dlaczego akurat kubit, a nie klasyczny czujnik? Ponieważ kubit sam funkcjonuje w reżimie kwantowym: potrafi oddziaływać z rezonatorem i „zapytać” go o stan wzbudzenia bez konieczności pełnego kolapsowania tego stanu przy każdym pomiarze. Klasyczny czujnik elektryczny zadziałałby jak słoń w składzie porcelany, zniszczyłby badany stan przy pierwszym kontakcie. Kluczowym osiągnięciem inżynierskim było połączenie kubitu z rezonatorem w sposób zachowujący delikatne właściwości obu układów jednocześnie.
Co to oznacza w praktyce i kiedy poczujemy różnicę
Zastosowania tego odkrycia dzielą się na dwa nurty o bardzo różnych horyzontach czasowych.
Pierwszy, bliższy i bardziej techniczny, dotyczy komputerów kwantowych. Utrata wzbudzenia to dla takiej maszyny potencjalny błąd obliczeniowy, który może zniszczyć wynik jeszcze przed zakończeniem operacji. Eksperyment ze Stanfordu dowodzi, że możliwe jest śledzenie przynajmniej jednego rodzaju takiej zmiany na poziomie pojedynczego kwantu, w czasie rzeczywistym, a nie post factum. Samo wykrycie błędu to dopiero fundament, ale właśnie na nim buduje się mechanizmy korekcji. Firmy takie jak IBM czy Google inwestują znaczne środki w korekcję błędów kwantowych innymi metodami; podejście od strony układów mechanicznych może okazać się uzupełniającą, a może i konkurencyjną ścieżką, choć do porównania tych architektur potrzeba jeszcze wielu lat badań.
Drugi nurt to sensory. Autorzy wskazują na możliwość tworzenia bardzo czułych urządzeń łączących rezonator z kubitem, a prowadzone są już prace nad zastosowaniem podobnej platformy do rozpoznawania i charakteryzowania białek obecnych w komórkach. Czułość osiągalna dzięki pomiarom na poziomie pojedynczego kwantu jest fizycznie nieosiągalna dla klasycznych układów pomiarowych, to nie marketing, lecz bezpośrednia konsekwencja praw fizyki. Droga od laboratorium do gotowego urządzenia diagnostycznego mierzy się jednak raczej w dekadach niż latach.
Dla przeciętnego użytkownika bezpośredni efekt tej pracy nie pojawi się prędko. To, co wydarzyło się w laboratorium Stanforda, jest jednak tym rodzajem kamienia milowego, który naukowcy przywołują przez następne dwadzieścia lat jako punkt, od którego „stało się możliwe”.
Najczęściej zadawane pytania
Dlaczego wcześniej nie udało się tego zaobserwować w układach mechanicznych, skoro w jonach i fotonach było to możliwe?
Rezonator mechaniczny jest zbudowany z atomów materiału, które same drgają, każda próba pomiaru to dosłowne „popchnięcie” tych atomów, grożące zniszczeniem mierzonego stanu. Jony można izolować elektromagnetycznie, fotony słabo oddziałują z materią. W rezonatorach przez dekady nie dało się jednocześnie utrzymać wzbudzenia wystarczająco długo i odczytywać stanu wystarczająco delikatnie. Dopiero konkretna kombinacja tego rezonatora z nadprzewodzącym kubitem-detektorem pozwoliła spełnić oba warunki naraz.
Ile dokładnie odczytów wykonano i jak szybko?
Źródło opisuje „setki odczytów” w czasie około dwóch milisekund, bez podania dokładnej liczby. Jeśli przyjąć orientacyjnie pięćset odczytów jako środek zakresu opisanego słowem „setki”, odpowiada to tempu rzędu 250 kHz. Dla porównania: ludzkie ucho przestaje słyszeć dźwięki powyżej około 20 kHz, detektor pracował więc ponad dziesięciokrotnie szybciej, niż sięga nasz słuch. Co ważniejsze, każdy z tych odczytów musiał być na tyle nieinwazyjny, by kolejne pomiary zachowały sens, to kompromis między szybkością a delikatnością, a nie wyścig o jak najwyższą częstotliwość.
Czy ta technologia ma szanse dotrzeć do komercyjnych produktów i w jakim horyzoncie?
Materiał źródłowy nie podaje konkretnych dat komercjalizacji. Prowadzone są prace nad zastosowaniem podobnej platformy do wykrywania białek w komórkach, ale droga od eksperymentu do gotowego urządzenia diagnostycznego lub elementu komercyjnego komputera kwantowego mierzy się raczej w dekadach. Odkrycie jest kamieniem milowym dla nauki, nie gotowym produktem.
Jak to podejście ma się do metod korekcji błędów stosowanych przez duże laboratoria kwantowe?
Źródło nie opisuje bezpośredniego porównania z metodami stosowanymi przez inne firmy czy laboratoria. Monitorowanie utraty wzbudzenia na poziomie pojedynczego kwantu w układach mechanicznych to potencjalnie uzupełniająca ścieżka wobec istniejących architektur korekcji błędów, czy także konkurencyjna, pokaże dopiero dalsza praca badawcza.
Fot. Erik Karits / Pexels
