ஒலி, ஒவ்வொரு குவாண்டமாகத் தாவும்போது பிடிபட்டது

கிட்டார் கம்பியை மீட்டினால் ஒலி மெல்ல மெல்ல அடங்குகிறது. ஆனால் அதிரும் எந்தப் பொருளின் ஆற்றலும் தனித்தனிப் பொட்டலங்களாக வருகிறது என்று குவாண்டம் இயக்கவியல் கணிக்கிறது — ஒலியின் குவாண்டங்களான ஃபோனான்கள் (phonons). சிக்கல் என்னவென்றால், பொருளின் அசைவைக் கவனிப்பதன் மூலம் அவற்றைப் பார்க்க முடியாது. நிலையை அளப்பது எப்போதும் ஒரு செவ்வியல் அலையியற்றியைப் போலவே, சீரான அடுக்குக்குறைவை (exponential decay) மட்டுமே காட்டுகிறது.

பொட்டலங்களை வெளிப்படுத்த, ஆற்றலையே அளக்க வேண்டும் — அதுவும் அதைக் குலைக்காமல்: குவாண்டம் அழிவற்ற அளவீடு (quantum non-demolition measurement) எனப்படுவது இதுதான். ஆற்றல் நிலைகளுக்கு இடையிலான இத்தகைய தாவல்கள் முதலில் பொறியில் சிக்கிய தனி அயனிகளிலும், பின்னர் குழிகளில் சிறைப்பட்ட ஒளித் துகள்களிலும் காணப்பட்டன. அமீர் சஃபாவி-நாயினி தலைமையிலான ஸ்டான்ஃபோர்ட் பல்கலைக்கழகம், SLAC குழு ஒன்று இப்போது இதை அதிரும் ஒரு பொருளுக்குச் செய்துகாட்டியுள்ளது.

ஒரு குபிட்டுக்கு மேலே மிதக்கும் ஒரு படிகம்

அதிரும் பொருள், அதிர்வை மின்னழுத்தமாக மாற்றும் படிகமான லித்தியம் நியோபேட்டின் ஒரு சிறிய கட்டி. வடிவமைக்கப்பட்ட ஓர் உத்தரத்தின் மையத்தில் அது அமர்ந்திருக்கிறது; அந்த உத்தரத்தின் சீரான இடைவெளித் துளைகள் ஒலி ஆடிகளாகச் செயல்பட்டு அதிர்வை உள்ளே சிறைப்படுத்துகின்றன. அதன் பயனுறு நிறை ஏறக்குறைய 0.2 பிகோகிராம் — ஒரு கிராமின் டிரில்லியனில் ஒரு பங்கில் ஐந்தில் ஒன்று.

கண்டறிவி ஒரு மீக்கடத்தும் குபிட் (superconducting qubit) — குவாண்டம் கணினிகளில் பயன்படும் அதே வகைச் சுற்று. இரண்டு பகுதிகளும் தனித்தனியாக உருவாக்கப்படுகின்றன; பிறகு ஒரு துல்லியப் பிணைப்பு இயந்திரம் படிகத்தைக் குபிட்டின் மீது முத்திரையிடுகிறது; இதனால் கட்டி அதற்கு வெறும் 75 நானோமீட்டர் மேலே மிதக்கிறது.

இணைப்பு இப்படிச் செயல்படுகிறது: கட்டியில் உள்ள ஒவ்வொரு ஃபோனானும் குபிட்டின் அதிர்வெண்ணை 328 கிலோஹெர்ட்ஸ் நகர்த்துகிறது. ஒரு குறுகிய துடிப்பு வரிசையின் நேரத்தைச் சரியாக அமைப்பதன் மூலம், ஃபோனான்களின் எண்ணிக்கை இரட்டைப்படையாக இருந்தால் குபிட் ஒரு நிலையிலும், ஒற்றைப்படையாக இருந்தால் மற்ற நிலையிலும் முடிகிறது. நடைமுறையில் கட்டி அதிகபட்சம் ஒரு ஃபோனானை மட்டுமே வைத்திருப்பதால், இது ஓர் எளிய கேள்வியாகச் சுருங்குகிறது: பூச்சியமா, ஒன்றா? ஒவ்வொரு சரிபார்ப்பும் ஏறக்குறைய 12 மைக்ரோவினாடிகள் எடுக்கிறது.

தாவல்கள்

முதலில், ஒற்றை ஃபோனானை அடையாளம் காணக் குழு கற்றுக்கொண்டது. ஒரு தனிச் சரிபார்ப்பு ஏறக்குறைய 68% நேரம் மட்டுமே சரியாக இருக்கிறது; எனவே அவர்கள் அதை மீண்டும் மீண்டும் செய்கின்றனர்: தொடர்ச்சியாக ஆறு “ஒரு ஃபோனான்” பதில்களுக்குப் பிறகு, கட்டி சரியாக ஒரு ஃபோனானை வைத்திருப்பதற்கான நிகழ்தகவு 85%.

பிறகு அவர்கள் கேட்டுக்கொண்டே இருந்தனர் — தொடர்ச்சியாக 294 முறை. மூலப் பதில்களே அதைக் கண்ணுக்குக் காட்டுகின்றன: பெரும்பாலும் “ஒன்று” என்ற நீண்ட பகுதி, பிறகு பெரும்பாலும் “பூச்சியம்” என்பதற்கு ஒரு திடீர் மாற்றம். கட்டி தன் ஆற்றலைப் படிப்படியாகக் கசியவிடவில்லை; தன் ஒற்றை ஃபோனானை ஒரே தாவலில், ஓட்டத்துக்கு ஓட்டம் மாறுபடும் ஒரு தற்செயலான கணத்தில் இழந்தது. இந்தத் தாவல்களின் நேரங்கள் ஓர் அடுக்கு விதியைப் பின்பற்றுகின்றன — தன்னிச்சையான, நினைவற்ற ஒரு செயல்முறையின் அடையாளம் அது.

இதைச் சாத்தியமாக்கும் எண்கள்

• இந்தக் கட்டியில் ஒரு ஃபோனான் 2.1 மில்லிவினாடிகள் நீடிக்கிறது; ஜிகாஹெர்ட்ஸ் அதிர்வெண்களில் இவ்வகை ஒத்ததிர்வியுக்கு (resonator) இது விதிவிலக்காக நீண்டது என்கின்றனர் ஆய்வாளர்கள். இரண்டு தேர்வுகளே இதற்குக் காரணம் என்கின்றனர்: எந்த உலோகமும் ஒத்ததிர்வியைத் தொடுவதில்லை; அதைச் செதுக்கப் பயன்படும் அயனிக் கற்றை அதன் மேற்பரப்பைத் தாக்குவதே இல்லை.
• இது ஒரு ஃபோனானின் ஆயுளுக்குள் ஏறக்குறைய 170 சரிபார்ப்புகளுக்கு இடம் தருகிறது.
• ஒவ்வொரு சரிபார்ப்பும் ஏறக்குறைய 99% நேரம் ஃபோனானைச் சேதமின்றி விடுகிறது. இந்தச் சிறிய இடையூறு, கவனிக்கப்படும்போது ஃபோனானின் ஆயுளை ஏறக்குறைய 0.65 மில்லிவினாடிகளாகக் குறைக்கிறது.
• கூட்டுறவுத்திறன் (cooperativity) எனப்படும் ஒருங்கிணைந்த தகுதி அளவீடு 30 லட்சத்தை மீறுகிறது; பிற குவாண்டம் ஒலியியல் தளங்களை விட இது பத்து மடங்கு சிறந்தது என்று ஆய்வாளர்கள் விவரிக்கின்றனர்.

ஒலியால் ஆன குவாண்டம் பிட்டுகளை நோக்கி

ஆய்வாளர்களின் அடுத்த படி, ஒரே குபிட்டைப் பகிர்ந்துகொள்ளும் இரண்டு இயந்திர ஒத்ததிர்விகளால் ஆன “இரட்டைத் தட” (dual-rail) குவாண்டம் பிட்; இதில் ஒரு ஃபோனானின் இழப்பு கண்டறியக்கூடிய பிழையாகிறது. அவர்களின் முத்திரையிடும் நுட்பம் ஒரே சில்லில் பல ஒத்ததிர்விகளை அனுமதிக்கிறது. உணரிகளையும் அவர்கள் சுட்டிக்காட்டுகின்றனர்: இவ்வளவு இலேசான, இவ்வளவு நீண்ட நேரம் அதிரும் ஒரு பொருள்தான் ஒற்றை மூலக்கூறை எடைபோடத் தேவை.

இப்போதைக்கு, அளவீட்டுக்கு இன்னும் வரம்புகள் உண்டு: ஒரு தனிச் சரிபார்ப்பு முழுமையிலிருந்து வெகு தொலைவில் உள்ளது; பூச்சியம் ஃபோனானையும் இரண்டு ஃபோனான்களையும் அதனால் வேறுபடுத்த முடியாது. ஆய்வாளர்களில் இருவர் Amazon Scholars; Amazon Web Services இந்தப் பணிக்கு நிதியுதவி செய்தது.

குவாண்டம் தாவல்கள் இப்போது அணுக்களில், ஒளியில், இந்தச் சோதனையின் மூலம் ஒலியிலும் காணப்பட்டுவிட்டன.