شمارش کوانتاهای صوت

دو تیم علمی بیان کرده‌اند که می‌توانند تعداد ارتعاش‌های کوانتومی یا فونون‌ها را در نوسانات مکانیکی سرد با اندازه‌گیری انرژی ارتعاشات بشمارند.

در خاستگاه هر نت موسیقی، یک نوسانگر مکانیکی وجود دارد که در یک فرکانس خاص، صدای مشخصی تولید می‌کند. اما آنچه که گوش نمی‌تواند تشخیص دهد، این است که انرژی این ارتعاشات از تعداد صحیحی از کوانتاهای حرکت یا فونون‌ها (به صوت گسسته) تشکیل می‌شود. اکثر اشیاء مرتعش دارای تعداد فراوانی فونون هستند، اما مدتی است که محققان موفق به تولید نوسانگرهای مکانیکی بزرگی شده‌اند که در حالت پایه‌ی کوانتومی خود قرار دارند، به گونه‌ای که تعداد متوسط فونون‌ها کوچکتر از یک است. این دستاورد – که به سختی به این مرحله رسیده است – نه تنها با خنک سازی شدید، همه‌ی برانگیختگی‌های گرمایی در نوسانگر‌ها را حذف می‌کند، بلکه نیازمند طراحی و ساخت یک سیستم تشخیص حرکت، با حساسیتی در سطح کوانتومی است. یک تکنیک در حال توسعه، شامل جفت شدگی حرکت یک نوسانگر با یک شیء کوانتومی دیگر است. این جسم کوانتومی، یک کیوبیت ابررسانا است که می‌تواند نقش مهمی در تشخیص و همچنین دستکاری حالت‌های مختلف حرکت داشته باشد.هر کدام از گروه‌های گفته شده، به طور جداگانه‌ای برنامه ریزی کرده‌اند تا بتوانند با  به کار گیری چنین “سیستم صوتی کیوبیتی”،  تعداد فونون‌های موجود در یک نوسانگر‌ مکانیکی ماکروسکوپی را به طور مستقیم اندازه گیری کنند. از یک طرف، نوسانگر همانند غشایی است که مرکز جرم آن مثل پرده‌ی یک طبل ارتعاش می‌کند، در حالی که از طرفی دیگر، نوسانگر یک نوع کاواک موج صوتی است که رزوناتور (تشدیدگر) موج صوتی نامیده می‌شود. این نتایج  با نشان دادن کنترل بی سابقه ای بر حالت‌های حرکت، می تواند در استفاده از نوسانگرها به عنوان حسگرهای جاذبه و دستگاه‌های حافظه کوانتومی در جدیدی باز کنند.

انگیزه موجود پشت تلاش‌های این دو گروه به خاطر علاقه به اندازه‌گیری و کنترل حالت‌هایی است که حالت‌های Fock  نامیده شده و با شماره فونون مشخصی، توصیف می‌شوند. مجموعه‌ی حالت‌های Fock  شامل حالت صفر-فونون، حالت یک-فونون، حالت دو-فونون و به همین ترتیب الی آخر می‌باشد. بعضی از آزمایش کنندگان قبلی، نوسانگرهای مکانیکی را در نزدیکی حالت پایه آن‌ها به کار انداختند، که در این صورت می‌توان نتیجه گرفت که این سیستم‌ها عمدتا در حالت Fock  صفر-فونون هستند. اما در اکثر آزمایش‌های دیگر، محققان مستقیما به اندازه گیری حالت Fock  نمی‌پردازند.  در عوض آن‌ها با مشاهده‌ی کمیاتی مثل مکان، اندازه حرکت (تکانه یا همان ممنتوم) یک فونون و یا حتی هر دو این کمیت‌ها، میانگینی برای تعداد فونون‌ها ​​(یا انرژی متوسط) برآورد می‌کنند.
هرچند که اهداف محققان این دو گروه مشابه هم است، آن‌ها استراتژی‌ها و روش‌های بسیار متفاوتی دارند. جریمی وینوت  (Jeremie Viennot ) و همکاران وی در دانشگاه کلورادو (Colorado) در بولدر (Boulder)، یک غشای آلومینیومی را که چند میکرومتر ضخامت داشت، مطالعه و بررسی کردند.  یک پرده‌ی طبل در حال ارتعاش به عنوان یک نوسانگر در دسته مرکز جرم، طبقه بندی می‌شود، به این معنی که یک قسمت ماکروسکوپی از جسم، به صورت الاستیکی جا به جا می‌گردد. این جابه جایی‌ها در فرکانس‌های نسبتا کمی در محدوده مگا هرتز اتفاق می‌افتند که نسبت به فرکانس‌ گذار گیگاهرتز از کیوبیت‌های ابررسانا، بسیار متفاوت است. بنابراین تیم بولدر با یک چالش جدید در رابطه با مهندسی ایجاد یک اتصال قوی بین یک کیوبیت ابررسانا و نوسانگرشان شدند. نوع کوبیت ابررسانایی که توسط آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گرفت ، یک کوبیت بار بود که حالت‌های آن با حضور جفت‌های مازاد کوپر در یک جزیره کوچک شناسایی می‌شود. کوبیت‌های بار، به عنوان اولین و اصلی‌ترین کاندیداها برای اتصال به نوسانگرهای مکانیکی مورد توجه قرار گرفتند، اما آن‌ها به صورت بیش از حدی به حرکت بارها در محیط اطراف حساس هستند. تیم بولدر توانست کوبیت خود را به نحوی که به بارهای موجود در محیط اطراف حساس نباشد، کنترل کند و در عین حال با بارهایی که در واکنش به ارتعاش نوسانگر مکانیکی حرکت می کردند، تعامل غير رزونانس داشته باشد.

به عنوان یک نتیجه از این تعامل خاموش رزونانس، فرکانس کیوبیت باید نسبت به تعداد فونون‌ها در نوسانگر، تغییر کند. پژوهشگران توانستند جا به جایی یک فونون برانگیخته را به اندازه کافی بزرگ و رزونانس کیوبیت را به اندازه کافی محدود کنند، در صورتی که تنها هفت فونون کافی است تا رزونانس کیوبیت را به اندازه عرض خط آن تغییر دهد. هنگامی که تیم مذکور، طیف کیوبیت را با تکنیک‌های استاندارد خودش اندازه گیری کرد، آن‌ها توانستند احتمال قرار گرفتن سیستم در حالت خاص Fock   را تشخیص دهند. این روش سنجش و اندازه گیری – روشی که برای اندازه گیری توزیع حالت‌های Fock   برای یک رزوناتور ( یا همان تشدید کننده) مایکروویو اختراع شد و در این جا برای اولین بار در یک موقعیت مکانیکی اجرا شد – به طور قابل توجهی حالت شکننده‌ای از نوسانگر مکانیکی را نابود نمی‌کند.

گروه علمی بولدر، حتی فراتر از این که فقط حالات Fock   را شناسایی کند، عمل می‌کرد؛ آن‌ها همچنین از کیوبیت‌ها استفاده می‌کردند تا فونون‌ها را به داخل و خارج از نوسانگر پمپ کنند. برای مثال، اگر آن‌ها کیوبیت را در یک فرکانسی بزرگتر از فرکانس رزونانس خود تا دقیقا فرکانس مکانیکی منتقل کنند، این انرژی بیش از حد، به تحریک نوسانگر مکانیکی منجر شده و ارتعاشات آن را به وجود می‌آورد. این برانگیختگی‌ها می‌توانند برای حالت‌های تعداد خاص، مورد نظر قرار گیرند، به این ترتیب سازندگان این مجموعه، اجازه این کار را پیدا می‌کنند که به ازای تعداد مشخصی از فونون‌ها، توزیع حالت Fock   را از طریق جمع کردن جمعیت اولیه این حالت‌ها به سمت تعداد بیشتری از فونون‌ها خالی کنند. برعکس، منتقل کردن کیوبیت‌ها از یک فرکانس، پایین‌تر از فرکانس رزونانس آن، فونون‌ها را از نوسانگر مکانیکی پمپ کرده و بیرون می‌برد. با تکرار این مراحل، محققان می‌توانند وزن توزیع حالت Fock   را به سمت تعداد کم‌تر فونون تغییر دهند، و جمعیتی از حالت پایه با صفر فونون را به نحوی متمایز از هر کار قبلی که انجام شده است، ایجاد کنند.

جالب توجه است که ییون چو (Yiwen Chu) و همکارانش در دانشگاه ییل (Yale ) قادر به انجام کارهای مشابه با متدهای توزیح داده شده در یک نوع بسیار متفاوت از سیستم بودند. نوسانگر مورد مطالعه توسط گروه ییل یک تراشه یاقوت کبود با ضخامتی در حدود نیم میلیمتر بود که از یک موج صوتی پخش شونده پشتیبانی می کرد، اما بر خلاف حالت قبلی قطعات حرکتی ماکروسکوپی نداشت. چنین رزوناتورهای صوتی در فرکانس های بسیار بالاتر در محدوده مایکروویو ارتعاش می‌کنند و به آن‌ها اجازه می‌دهند که با کیوبیت‌ها به صورت رزونانس مشخص شوند. این فرکانس‌های بالا نیز به این معنی هستند که خنک کننده‌ها  برای از بین بردن همه تحرک‌های حرارتی و رسیدن به حالت زمین کوانتومی حرکتی، کافی‌اند.
تیم ییل در سیستم رزونانس جفت شده‌ی خود، موفق به مبادله برانگیختگی‌های منسجم و همدوس بین کیوبیت و نوسانگر مکانیکی شدند. در این نوع از آزمایشات، اگر نوسانگر در ابتدا در حالت پایه کوانتومی باشد، مبادله و جا به جایی کوانتا در فرکانس به اصطلاح خلاء رابی (فرکانس رابی، فرکانس نوسانات برای گذارهای اتمی در میدان نور است. همچنین اندازه افت و خیز بین جمعیت ترازها را نشان می‌دهد و با شدت جفت شدگی، شدت نور و گذار اتم مرتبط است. گذار رابی بین ترازهای یک سیستم ۲ ترازی که با تشدید نور توصیف می‌شود، در فرکانس رابی اتفاق خواهد افتاد. فرکانس رابی یک مفهوم شبه کلاسیکی است که بر پایه‌گذار کوانتومی اتم و میدان کلاسیکی نور است. در بحث آزمایش تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR)، فرکانس رابی، فرکانس رقص محوری برای یک نمونه بردار مغناطیدگی هسته‌ای خالص حول یک میدان با فرکانس رادیویی است) رخ می‌دهد. با این حال، در آزمایشات تیم ییل، فرکانس رابی یک مقدار گسسته متمایز را برای هر حالت Fock   بالاتر از صفر حاصل می‌کند. با اندازه گیری این نوسانات رابی مربوط به حالت کیوبیت، محققان می‌توانند حالات فونون Fock   را از اجزای فرکانس استخراج کنند. هنگامی که نوسانگر در حالت پایه خود بود، این تیم می‌توانست کیوبیتی را به حالت برانگیخته خود رسانده و آماده کند، سپس مبادله و جا به جایی را انجام دهد، که در نهایت یک عدد به شماره‌ی فونون افزوده می‌شود. با تکرار این فرآیند  “گام‌های فونون”  به دفعات متعدد، آنان می‌توانند نوسانگر مکانیکی را در یک حالت Fock  با تعداد بالایی فونون مهیا کنند.

هر دو تا از آزمایشات درجه بالا و بی سابقه ای از قدرت کنترل بر حالت‌های حرکت را نشان می‌دهند. هر کدام از این استراتژی‌ها دارای مزایای خاص خود است. روش تیم بولدر، فونون‌ها را به طور غیرمخربی اندازه گرفته و می‌سنجد، در حالی که خواندن رزونانس با روش پیشنهادی گروه ییل، به صورت غیر قابل بازگشتی انجام شده و حالت مکانیکی را تخریب می کند. با این حال، طرح آماده سازی و اجرای مربوط به گروه ییل می‌تواند حالت‌های خالص Fock   را به دست آورد، که می تواند در زمینه‌ی اطلاعات کوانتومی بسیار مناسب باشد. دو دسته از نوسانگرها در کنار هم، طیف گسترده‌ای از فرکانس‌های مکانیکی را در بر می‌گیرند، که آن‌ها را در برنامه‌های کاربردی مکمل هم می‌کند. اداره و کنترل حرکت گسترده مرکز جرم، ممکن است محققان را قادر به بررسی منطقه خاکستری ناشناخته بین دنیای کوانتومی میکروسکوپی و دنیای آشنا قابل مشاهده، کند. با توجه به ظرافت فوق العاده آن‌ها، این وضعیت حرکت نیز ممکن است در مقیاس‌های کوچک حساس به گرانش باشد. در نهایت، به دلیل انسجام و همدوسی بالا و ادغام آسان آن با دیگر سیستم های فیزیکی، حالت‌های کوانتومی نوسانگر مکانیکی، بهترین کاندیدا برای ذخیره سازی حافظه در تکنولوژی‌هایی در زمینه‌ی اطلاعات کوانتومی و تبدیل سیگنال‌های الکترونیکی و سیگنال‌های نوری در نظر گرفته می شود.

*** فونون: فونون یک کوانتوم انرژی است. به برانگیزشِ گردآمدیِ (collective excitation)  اتم‌ها در یک ساختار بلوری فونون می‌گویند. یا به بیانی ساده‌تر، نوسان‌های هماهنگ همه‌ی‌ِ اتم‌ها در یک ساختار بلوری را فونون می‌گویند. در فیزیک کوانتومی برای بیان این نوسان‌ اتم‌ها در شبکه بلور از مفهوم شبه ذره بهره‌ می‌جویند که فونون نام دارد.

*** کیوبیت: در پردازش کوانتومی یک کیوبیت یا بیت کوانتومی واحد پایه‌ای پردازش کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی بوده و مشابه بیت در رایانه‌های کلاسیک می‌باشد. کوچکترین واحد ذخیره اطلاعات و معیاری از مقدار اطلاعات کوانتومی است. ا ز نظر فیزیکی، کیوبیت یک سامانه کوانتومی دوحالتی است، یعنی سیستمی که توسط مکانیک کوانتومی به درستی قابل توصیف است و هنگام اندازه گیری یکی از دو حالت ممکن خود را اختیار می‌کند. مانند قطبش یک فوتون که در اینجا، جهت قطبشِ عمودی و جهت قطبش افقی دو حالت ممکن برای سامانه هستند. در یک سامانه کلاسیکی، هر بیت در هر لحظه یا در حالت صفر یا در حالت یک است، اما اصل‌های مکانیک کوانتومی به کیوبیت اجازه می‌دهند که در همان حال، حالتی را برابر با برهم نهی دو حالت اصلی نیز اختیار کند، یک ویژگی که در پردازش کوانتومی بنیادی است. به عبارتی، یک کیوبیت هم ممکن است در حالت‌های کلاسیک صفر و یک وجود داشته باشد و هم می‌تواند در حالت ترکیب این دو قرار گیرد (یعنی همزمان دارای هر دو حالت صفر و یک باشد). در واقع همین پدیده، تفاوت اصلی بین بیت‌های کلاسیک و کیو بیت‌هاست.

این تحقیق در http://Physical Review Lettersو http://arXiv منتشر شده است.