صدا در حال جهش، کوانتوم به کوانتوم، به دام افتاد
سیم گیتار را بکشید و صدا آرام‌آرام خاموش می‌شود. اما مکانیک کوانتومی پیش‌بینی می‌کند که انرژی هر جسم لرزانی در بسته‌هایی گسسته می‌آید — فونون‌ها، کوانتوم‌های صدا. گیر کار این‌جاست که نمی‌توان آن‌ها را با تماشای حرکت جسم دید. اندازه‌گیری مکان همیشه فقط یک میرایی نمایی هموار نشان می‌دهد، درست مانند یک نوسانگر کلاسیک.
برای آشکار کردن این بسته‌ها، باید خودِ انرژی را اندازه گرفت، آن هم بی‌آن‌که برهم‌اش زد: چیزی که اندازه‌گیری کوانتومی ناویرانگر (quantum non-demolition) نامیده می‌شود. چنین جهش‌هایی میان ترازهای انرژی نخست در یون‌های منفرد به‌دام‌افتاده و سپس برای ذرات نوری محبوس در کاواک‌ها دیده شدند. گروهی در دانشگاه استنفورد و SLAC، به رهبری امیر صفوی‌نائینی، اکنون این کار را برای یک جسم لرزان انجام داده‌اند.
بلوری شناور بالای یک کیوبیت
جسم لرزان قطعه‌ای ریز از لیتیم نیوبات است، بلوری که لرزش را به ولتاژ تبدیل می‌کند. این قطعه در مرکز تیرکی طرح‌دار قرار دارد که سوراخ‌های تناوبی‌اش مانند آینه‌های صوتی عمل می‌کنند و لرزش را درون آن به دام می‌اندازند. جرم مؤثر آن حدود ۰٫۲ پیکوگرم است — یک‌پنجم یک تریلیونیم گرم.
آشکارساز یک کیوبیت ابررسانا است، همان نوع مداری که در رایانه‌های کوانتومی به کار می‌رود. دو بخش جداگانه ساخته می‌شوند، سپس یک دستگاه اتصال دقیق بلور را روی کیوبیت مُهر می‌کند، به‌طوری که قطعه تنها ۷۵ نانومتر بالای آن شناور می‌ماند.
جفت‌شدگی این‌گونه کار می‌کند: هر فونون در قطعه، بسامد کیوبیت را ۳۲۸ کیلوهرتز جابه‌جا می‌کند. با زمان‌بندی یک دنبالهٔ کوتاه از تپ‌ها، اگر تعداد فونون‌ها زوج باشد کیوبیت در یک حالت و اگر فرد باشد در حالت دیگر قرار می‌گیرد. از آن‌جا که قطعه در عمل حداکثر یک فونون دارد، این به پرسشی ساده خلاصه می‌شود: صفر یا یک؟ هر وارسی حدود ۱۲ میکروثانیه طول می‌کشد.
جهش‌ها
نخست، گروه یاد گرفت یک فونون منفرد را تشخیص دهد. یک وارسی تنها حدود ۶۸٪ موارد درست است، پس آن را تکرار می‌کنند: پس از شش پاسخ پیاپی «یک فونون»، قطعه با احتمال ۸۵٪ دقیقاً یک فونون دارد.
سپس پرسیدن را ادامه دادند — ۲۹۴ بار پیاپی. پاسخ‌های خام همین حالا هم آن را با چشم نشان می‌دهند: بازه‌ای طولانی از عمدتاً «یک»، سپس گذاری ناگهانی به عمدتاً «صفر». قطعه انرژی‌اش را به‌تدریج نشت نداد؛ تنها فونونش را در یک جهش از دست داد، در لحظه‌ای تصادفی که از یک اجرا به اجرای دیگر فرق می‌کرد. زمان این جهش‌ها از قانونی نمایی پیروی می‌کند، که نشانهٔ فرایندی خودبه‌خودی و بی‌حافظه است.
اعدادی که این کار را ممکن می‌کنند
- یک فونون در این قطعه ۲٫۱ میلی‌ثانیه زنده می‌ماند، که نویسندگان آن را برای این نوع تشدیدگر در بسامدهای گیگاهرتز به‌طور استثنایی طولانی می‌دانند. آن‌ها این را مدیون دو انتخاب می‌دانند: هیچ فلزی با تشدیدگر تماس ندارد، و سطح بالایی آن هرگز زیر باریکهٔ یونی‌ای که برای حکاکی‌اش به کار می‌رود قرار نمی‌گیرد.
- این کار جا را برای حدود ۱۷۰ وارسی در طول عمر یک فونون باز می‌کند.
- هر وارسی در حدود ۹۹٪ موارد فونون را دست‌نخورده باقی می‌گذارد. این آشفتگی کوچک، عمر فونون را تا زمانی که زیر نظر است به حدود ۰٫۶۵ میلی‌ثانیه کاهش می‌دهد.
- شاخص کارایی ترکیبی، به نام هم‌کنشی (cooperativity)، از ۳ میلیون فراتر می‌رود، که نویسندگان آن را ده برابر بهتر از دیگر سکوهای صوتی کوانتومی توصیف می‌کنند.
به سوی بیت‌های کوانتومی ساخته از صدا
گام بعدی نویسندگان یک بیت کوانتومی «دوریلی» (dual-rail) است، ساخته از دو تشدیدگر مکانیکی که یک کیوبیت مشترک دارند، که در آن از دست رفتن یک فونون به خطایی قابل آشکارسازی تبدیل می‌شود. روش مُهرزنی آن‌ها امکان قرار دادن چند تشدیدگر را روی یک تراشه فراهم می‌کند. آن‌ها به حسگرها هم اشاره می‌کنند: جسمی تا این حد سبک که تا این حد طولانی بلرزد، همان چیزی است که برای وزن کردن یک مولکول منفرد لازم است.
فعلاً این اندازه‌گیری هنوز محدودیت‌هایی دارد: یک وارسی منفرد فاصلهٔ زیادی با بی‌نقص بودن دارد و نمی‌تواند صفر فونون را از دو فونون تشخیص دهد. دو تن از نویسندگان Amazon Scholar هستند و Amazon Web Services در تأمین مالی این کار کمک کرد.
جهش‌های کوانتومی اکنون در اتم‌ها، در نور و، با این آزمایش، در صدا دیده شده‌اند.