एकेका पुंजाने उडी मारताना पकडलेला ध्वनी

गिटारची तार छेडली की आवाज हळूहळू सहजपणे विरून जातो. पण क्वांटम यामिकी भाकीत करते की कंप पावणाऱ्या कोणत्याही वस्तूची ऊर्जा सुट्या पुंजांमध्ये येते — फोनॉन, म्हणजे ध्वनीचे पुंज. अडचण अशी की वस्तूची हालचाल पाहून ते तुम्हाला दिसू शकत नाहीत. स्थानाचे मापन नेहमी फक्त एक सहज घातांकी क्षय दाखवते, अगदी अभिजात दोलकासारखा.

पुंज उघड करण्यासाठी तुम्हाला ऊर्जाच मोजावी लागते, आणि तीही तिला धक्का न लावता: तथाकथित क्वांटम अविनाशी मापन (quantum non-demolition measurement). ऊर्जा-पातळ्यांमधील अशा उड्या सर्वप्रथम एकेकट्या बंदिस्त आयनांमध्ये दिसल्या, नंतर पोकळ्यांमध्ये अडकवलेल्या प्रकाशकणांमध्ये. आमिर सफवी-नाईनी (Amir Safavi-Naeini) यांच्या नेतृत्वाखालील स्टॅनफर्ड विद्यापीठ आणि SLAC मधील एका संघाने आता हे एका कंप पावणाऱ्या वस्तूसाठी करून दाखवले आहे.

क्युबिटवर तरंगणारा स्फटिक

कंप पावणारी वस्तू म्हणजे लिथियम निओबेटचा एक सूक्ष्म ठोकळा — कंपनाचे रूपांतर विद्युतदाबात करणारा स्फटिक. तो एका नक्षीदार तुळईच्या मध्यभागी बसलेला आहे, जिची नियमित अंतरावरील छिद्रे ध्वनी-आरशांसारखी काम करतात आणि कंपनाला आत अडकवून ठेवतात. त्याचे परिणामी वस्तुमान सुमारे 0.2 पिकोग्रॅम आहे — एका ग्रॅमच्या लाखकोटीव्या भागाचा पाचवा हिस्सा.

संवेदक आहे एक अतिसंवाहक क्युबिट, क्वांटम संगणकांत वापरल्या जाणाऱ्याच प्रकारचे परिपथ. दोन्ही भाग वेगवेगळे तयार केले जातात, आणि मग एक अचूक जोडणी-यंत्र स्फटिकाला क्युबिटवर ठसवते, जेणेकरून ठोकळा त्याच्यावर फक्त 75 नॅनोमीटर उंचीवर तरंगतो.

जोडणी अशी काम करते: ठोकळ्यातील प्रत्येक फोनॉन क्युबिटची वारंवारता 328 किलोहर्ट्झने सरकवतो. एका छोट्या स्पंद-क्रमाची वेळ जुळवून, फोनॉनची संख्या सम असल्यास क्युबिट एका अवस्थेत आणि विषम असल्यास दुसऱ्या अवस्थेत पोहोचतो. प्रत्यक्षात ठोकळ्यात जास्तीत जास्त एकच फोनॉन असल्याने, हे एका साध्या प्रश्नात रूपांतरित होते: शून्य की एक? प्रत्येक तपासणीला सुमारे 12 मायक्रोसेकंद लागतात.

उड्या

प्रथम संघाने एकच फोनॉन ओळखायला शिकून घेतले. एक तपासणी फक्त सुमारे 68% वेळा बरोबर येते, म्हणून ते ती पुन्हा पुन्हा करतात: सलग सहा “एक फोनॉन” उत्तरांनंतर, ठोकळ्यात बरोबर एक फोनॉन असण्याची संभाव्यता 85% असते.

मग त्यांनी विचारणे सुरूच ठेवले — सलग 294 वेळा. कच्च्या उत्तरांतच हे डोळ्यांना दिसते: बहुतांश “एक” असलेला एक दीर्घ टप्पा, आणि मग बहुतांश “शून्य” कडे एक अचानक बदल. ठोकळ्याने आपली ऊर्जा हळूहळू गळू दिली नाही; त्याने आपला एकमेव फोनॉन एका उडीत गमावला, एका यादृच्छिक क्षणी, जो प्रत्येक प्रयोगात वेगळा होता. या उड्यांच्या वेळा घातांकी नियम पाळतात — उत्स्फूर्त, स्मृतिहीन प्रक्रियेची ही खूण आहे.

हे शक्य करणारे आकडे

या ठोकळ्यात एक फोनॉन 2.1 मिलिसेकंद टिकतो; लेखकांच्या मते गिगाहर्ट्झ वारंवारतांवरील अशा प्रकारच्या अनुनादकासाठी हे अपवादात्मकरीत्या दीर्घ आहे. याचे श्रेय ते दोन निवडींना देतात: अनुनादकाला कोणताही धातू स्पर्श करत नाही, आणि त्याचा वरचा पृष्ठभाग त्याला कोरण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या आयन-शलाकेच्या कधीच संपर्कात येत नाही.
त्यामुळे एका फोनॉनच्या आयुष्यकाळात सुमारे 170 तपासण्यांना जागा मिळते.
प्रत्येक तपासणी सुमारे 99% वेळा फोनॉनला अबाधित ठेवते. या लहानशा व्यत्ययामुळे, निरीक्षण सुरू असताना फोनॉनचे आयुष्य सुमारे 0.65 मिलिसेकंदांपर्यंत कमी होते.
सहयोगिता (cooperativity) नावाचा एकत्रित गुणवत्ता-निर्देशांक 30 लाखांपेक्षा जास्त आहे; लेखक याचे वर्णन इतर क्वांटम ध्वनिक मंचांपेक्षा दहापट चांगले असे करतात.

ध्वनीपासून बनलेल्या क्वांटम बिटकडे

लेखकांचे पुढचे पाऊल म्हणजे एकच क्युबिट वाटून घेणाऱ्या दोन यांत्रिक अनुनादकांपासून बनलेला “ड्युअल-रेल” क्वांटम बिट, ज्यात फोनॉन गमावणे ही शोधता येण्याजोगी त्रुटी ठरते. त्यांचे ठसवण्याचे तंत्र एकाच चिपवर अनेक अनुनादक ठेवू देते. ते संवेदकांकडेही निर्देश करतात: इतकी हलकी आणि इतका दीर्घ काळ कंप पावणारी वस्तू हीच एकाच रेणूचे वजन करण्यासाठी आवश्यक असते.

सध्या मापनाला अजूनही मर्यादा आहेत: एक तपासणी परिपूर्णतेपासून खूप दूर आहे, आणि ती शून्य फोनॉन आणि दोन फोनॉन यांतील फरक ओळखू शकत नाही. लेखकांपैकी दोघे Amazon Scholars आहेत, आणि Amazon Web Services ने या कामाला निधी देण्यास मदत केली.

क्वांटम उड्या आता अणूंमध्ये, प्रकाशात आणि, या प्रयोगामुळे, ध्वनीत दिसल्या आहेत.