SAUTI IKINASWA IKIRUKA, KWANTUMU MOJA KWA WAKATI

Ukipiga uzi wa gitaa, sauti hufifia taratibu. Hata hivyo, mekanika ya kwantumu inatabiri kwamba nishati ya kitu chochote kinachotetemeka huja katika vifurushi tofauti — fononi, kwantumu za sauti. Tatizo ni kwamba huwezi kuziona kwa kutazama kitu kikisogea. Kipimo cha mahali kitu kilipo huonyesha tu kupungua laini kwa kasi ya kipeo, sawasawa na kitetemeshi cha kawaida (classical).

Ili kufichua vifurushi hivyo, unapaswa kupima nishati yenyewe, na kufanya hivyo bila kuivuruga: kinachoitwa kipimo cha kwantumu kisichoharibu (quantum non-demolition measurement). Miruko kama hiyo kati ya viwango vya nishati ilionekana kwanza kwa ayoni moja moja zilizonaswa, kisha kwa chembe za mwanga zilizonaswa ndani ya mashimo ya mwangwi. Timu katika Chuo Kikuu cha Stanford na SLAC, ikiongozwa na Amir Safavi-Naeini, sasa imefanya hivyo kwa kitu kinachotetemeka.

Fuwele inayoelea juu ya kubiti

Kitu kinachotetemeka ni kibonge kidogo mno cha lithiamu niobeti, fuwele inayogeuza mtetemo kuwa volteji. Kimekaa katikati ya boriti yenye mchoro ambayo matundu yake yanayojirudia hufanya kazi kama vioo vya sauti, yakinasa mtetemo ndani. Masi yake halisi ni takriban pikogramu 0.2 — sehemu ya tano ya trilioni moja ya gramu.

Kigunduzi ni kubiti ya upitishaji kamili (superconducting qubit), aina ileile ya saketi inayotumika katika kompyuta za kwantumu. Sehemu hizo mbili hutengenezwa kando, kisha mashine ya kuunganisha kwa usahihi hubandika fuwele juu ya kubiti, ili kibonge kielee nanomita 75 tu juu yake.

Muunganiko unafanya kazi hivi: kila fononi ndani ya kibonge husogeza masafa ya kubiti kwa kilohertz 328. Kwa kupanga muda wa mfuatano mfupi wa mipigo, kubiti huishia katika hali moja ikiwa idadi ya fononi ni shufwa na katika hali nyingine ikiwa ni witiri. Kwa kuwa kwa vitendo kibonge hushikilia fononi isiyozidi moja, hili linakuwa swali rahisi: sifuri au moja? Kila ukaguzi huchukua takriban mikrosekunde 12.

Miruko

Kwanza, timu ilijifunza kutambua fononi moja. Ukaguzi mmoja ni sahihi takriban 68% ya mara tu, kwa hiyo wanaurudia: baada ya majibu sita mfululizo ya “fononi moja”, kibonge kinashikilia fononi moja hasa kwa uwezekano wa 85%.

Kisha waliendelea kuuliza — mara 294 mfululizo. Majibu ghafi tayari yanaonyesha hilo kwa macho: kipindi kirefu cha “moja” kwa sehemu kubwa, kisha mabadiliko ya ghafla hadi “sifuri” kwa sehemu kubwa. Kibonge hakikuvujisha nishati yake polepole; kilipoteza fononi yake moja kwa mruko mmoja, katika wakati wa nasibu uliotofautiana kati ya jaribio moja na jingine. Nyakati za miruko hii zinafuata sheria ya kipeo, alama ya mchakato wa hiari usio na kumbukumbu.

Namba zinazowezesha hili

• Fononi hudumu milisekunde 2.1 ndani ya kibonge hiki, jambo ambalo waandishi wanaliita refu isivyo kawaida kwa aina hii ya kitoa mwangwi kwenye masafa ya gigahertz. Wanalihusisha na maamuzi mawili: hakuna chuma kinachogusa kitoa mwangwi, na uso wake wa juu haupigwi kamwe na boriti ya ayoni inayotumika kukichonga.
• Hilo linaacha nafasi ya takriban ukaguzi 170 ndani ya muda mmoja wa maisha wa fononi.
• Kila ukaguzi huiacha fononi salama takriban 99% ya mara. Usumbufu huo mdogo unafupisha maisha ya fononi hadi takriban milisekunde 0.65 wakati inapotazamwa.
• Kipimo cha jumla cha ubora, kiitwacho ushirikiano (cooperativity), kinazidi milioni 3, jambo ambalo waandishi wanalieleza kuwa bora mara kumi kuliko majukwaa mengine ya akustika ya kwantumu.

Kuelekea biti za kwantumu zilizotengenezwa kwa sauti

Hatua inayofuata ya waandishi ni biti ya kwantumu ya “reli mbili” (dual-rail) iliyotengenezwa kwa vitoa mwangwi viwili vya kimakanika vinavyoshiriki kubiti moja, ambapo kupotea kwa fononi kunakuwa kosa linaloweza kugunduliwa. Mbinu yao ya kubandika inaruhusu vitoa mwangwi kadhaa kwenye chipu moja. Pia wanataja vihisi: kitu chepesi hivi, kinachotetemeka kwa muda mrefu hivi, ndicho kinachohitajika ili kupima uzito wa molekuli moja.

Kwa sasa, kipimo bado kina mipaka: ukaguzi mmoja uko mbali na ukamilifu, na hauwezi kutofautisha fononi sifuri na fononi mbili. Waandishi wawili ni Amazon Scholars, na Amazon Web Services ilisaidia kufadhili kazi hii.

Miruko ya kwantumu sasa imeonekana katika atomu, katika mwanga na, kwa jaribio hili, katika sauti.