ضُبط الصوت وهو يقفز، كمًّا واحدًا في كل مرة

انقر وتر غيتار فيتلاشى الصوت بسلاسة. غير أن ميكانيكا الكم تتنبّأ بأن طاقة أي جسم مهتز تأتي في حزم منفصلة — الفونونات، أي كمّات الصوت. والعقبة أنك لا تستطيع رؤيتها بمراقبة حركة الجسم. فقياس الموضع لا يُظهر أبدًا سوى اضمحلال أسّي سلس، تمامًا كما في المذبذب الكلاسيكي.

ولكشف هذه الحزم، يجب قياس الطاقة نفسها، ومن دون إزعاجها: وهو ما يُسمّى القياس الكمومي غير الهدّام. وقد رُصدت هذه القفزات بين مستويات الطاقة أولًا في أيونات مفردة محتجزة، ثم في جسيمات ضوء محتجزة داخل تجاويف. والآن حقّق فريق من جامعة ستانفورد ومختبر SLAC، بقيادة أمير صفوي-نائيني، ذلك مع جسم مهتز.

بلورة تطفو فوق كيوبت

الجسم المهتز كتلة دقيقة من نيوبات الليثيوم، وهي بلورة تحوّل الاهتزاز إلى جهد كهربائي. وتقع في وسط عارضة منقوشة تعمل ثقوبها الدورية كمرايا صوتية تحبس الاهتزاز في الداخل. وتبلغ كتلتها الفعّالة نحو 0.2 بيكوغرام — أي خُمس جزء من تريليون من الغرام.

أما الكاشف فهو كيوبت فائق التوصيل، من النوع نفسه من الدوائر المستخدمة في الحواسيب الكمومية. ويُصنع الجزآن كلٌّ على حدة، ثم تختم آلة ربط دقيقة البلورةَ على الكيوبت، بحيث تطفو الكتلة على ارتفاع 75 نانومترًا فقط فوقه.

ويعمل الاقتران على النحو التالي: كل فونون في الكتلة يزيح تردد الكيوبت بمقدار 328 كيلوهرتز. ومن خلال ضبط توقيت سلسلة قصيرة من النبضات، ينتهي الكيوبت في حالة إذا كان عدد الفونونات زوجيًا، وفي الحالة الأخرى إذا كان فرديًا. وبما أن الكتلة لا تحمل عمليًا أكثر من فونون واحد، يختزل ذلك في سؤال بسيط: صفر أم واحد؟ ويستغرق كل فحص نحو 12 ميكروثانية.

القفزات

أولًا، تعلّم الفريق التعرّف على فونون منفرد. فالفحص الواحد لا يصيب إلا في نحو 68% من المرات، لذا يكرّرونه: بعد ست إجابات متتالية بـ“فونون واحد”، تحمل الكتلة فونونًا واحدًا بالضبط باحتمال 85%.

ثم واصلوا السؤال — 294 مرة متتالية. والإجابات الخام تُظهر ذلك بالعين المجردة: امتداد طويل يغلب عليه “واحد”، ثم تحوّل مفاجئ إلى ما يغلب عليه “صفر”. فالكتلة لم تسرّب طاقتها تدريجيًا؛ بل فقدت فونونها الوحيد في قفزة واحدة، في لحظة عشوائية تختلف من تشغيل إلى آخر. وتتبع أزمنة هذه القفزات قانونًا أسّيًا، وهو بصمة عملية تلقائية بلا ذاكرة.

أرقام تجعل ذلك ممكنًا

يعيش الفونون 2.1 ميلي ثانية في هذه الكتلة، وهو ما يصفه المؤلفون بأنه طويل على نحو استثنائي لهذا النوع من المرنانات عند ترددات الغيغاهرتز. ويعزون ذلك إلى خيارين: لا يلامس أي معدن المرنان، ولا يتعرّض سطحه العلوي أبدًا لحزمة الأيونات المستخدمة في نقشه.
وهذا يتيح نحو 170 فحصًا خلال عمر فونون واحد.
ويترك كل فحص الفونون سليمًا في نحو 99% من المرات. ويقصّر هذا الإزعاج الطفيف عمر الفونون إلى نحو 0.65 ميلي ثانية أثناء مراقبته.
ويتجاوز مؤشر الجودة المركّب، المسمّى التعاونية (cooperativity)، 3 ملايين، وهو ما يصفه المؤلفون بأنه أفضل بعشر مرات من منصات الصوتيات الكمومية الأخرى.

نحو بتات كمومية مصنوعة من الصوت

الخطوة التالية للمؤلفين هي بتّ كمومي “ثنائي المسار” (dual-rail) مكوّن من مرنانين ميكانيكيين يتشاركان كيوبتًا واحدًا، حيث يصبح فقدان فونون خطأً يمكن كشفه. وتتيح تقنية الختم لديهم وضع عدة مرنانات على الرقاقة نفسها. ويشيرون أيضًا إلى المستشعرات: فجسم بهذه الخفة، يهتز لهذه المدة الطويلة، هو ما يتطلّبه وزن جزيء واحد.

لكن القياس ما زالت له حدود في الوقت الراهن: فالفحص الواحد بعيد عن الكمال، ولا يمكنه التمييز بين صفر فونونات واثنين. واثنان من المؤلفين من باحثي برنامج Amazon Scholars، وقد ساهمت Amazon Web Services في تمويل العمل.

لقد رُصدت القفزات الكمومية الآن في الذرّات، وفي الضوء، ومع هذه التجربة، في الصوت.