ఒక్కో క్వాంటం చొప్పున దూకుతూ పట్టుబడిన ధ్వని

గిటార్ తీగను మీటితే శబ్దం సాఫీగా సద్దుమణుగుతుంది. అయితే క్వాంటం యాంత్రికశాస్త్రం, కంపించే ఏ వస్తువు శక్తి అయినా విడివిడి పొట్లాలుగా వస్తుందని అంచనా వేస్తుంది — ఫోనాన్‌లు, ధ్వని క్వాంటాలు. చిక్కేమిటంటే, వస్తువు కదలడాన్ని గమనించి మీరు వాటిని చూడలేరు. స్థానాన్ని కొలిస్తే ఎప్పుడూ ఒక సాఫీ ఘాతాంక క్షయం మాత్రమే కనిపిస్తుంది, సరిగ్గా ఒక సాంప్రదాయ డోలకం లాగా.

పొట్లాలను బయటపెట్టాలంటే, మీరు శక్తినే కొలవాలి, అదీ దాన్ని కదిలించకుండా: క్వాంటం నాన్-డెమాలిషన్ కొలత (quantum non-demolition measurement) అని పిలిచేది. శక్తి స్థాయిల మధ్య ఇలాంటి దూకులు మొదట బంధించిన ఒంటరి అయాన్లలో, తర్వాత కుహరాల్లో బంధించిన కాంతి కణాల్లో కనిపించాయి. అమీర్ సఫావీ-నయీనీ (Amir Safavi-Naeini) నేతృత్వంలోని స్టాన్‌ఫర్డ్ విశ్వవిద్యాలయం, SLAC బృందం ఇప్పుడు దీన్ని కంపించే ఒక వస్తువుకు సాధించింది.

క్యూబిట్ పైన తేలే స్ఫటికం

కంపించే వస్తువు లిథియం నియోబేట్ చిన్న దిమ్మె — కంపనాన్ని వోల్టేజీగా మార్చే స్ఫటికం. అది ఒక నమూనా దూలం మధ్యలో ఉంటుంది, ఆ దూలంలోని ఆవర్తన రంధ్రాలు ధ్వని అద్దాలలా పనిచేసి, కంపనాన్ని లోపలే బంధిస్తాయి. దాని ప్రభావిత ద్రవ్యరాశి సుమారు 0.2 పికోగ్రాములు — ఒక గ్రాములో లక్ష కోట్ల వంతులో ఐదో వంతు.

డిటెక్టర్ ఒక అతివాహక క్యూబిట్, క్వాంటం కంప్యూటర్లలో వాడే అదే రకం సర్క్యూట్. రెండు భాగాలనూ వేర్వేరుగా తయారుచేసి, తర్వాత ఒక కచ్చితమైన బంధన యంత్రం స్ఫటికాన్ని క్యూబిట్‌పై అద్దుతుంది, తద్వారా దిమ్మె దానికి కేవలం 75 నానోమీటర్ల ఎత్తులో తేలుతుంది.

అనుసంధానం ఇలా పనిచేస్తుంది: దిమ్మెలోని ప్రతి ఫోనాన్ క్యూబిట్ పౌనఃపున్యాన్ని 328 కిలోహెర్ట్జ్ జరుపుతుంది. ఒక చిన్న పల్స్ క్రమం సమయాన్ని సరిగ్గా అమర్చడం ద్వారా, ఫోనాన్‌ల సంఖ్య సరి అయితే క్యూబిట్ ఒక స్థితిలో, బేసి అయితే మరో స్థితిలో చేరుతుంది. ఆచరణలో దిమ్మెలో గరిష్ఠంగా ఒక్క ఫోనానే ఉంటుంది కాబట్టి, ఇది ఒక సరళమైన ప్రశ్నగా మారుతుంది: సున్నానా, ఒకటా? ప్రతి తనిఖీకి సుమారు 12 మైక్రోసెకన్లు పడుతుంది.

దూకులు

మొదట బృందం ఒక ఫోనాన్‌ను గుర్తించడం నేర్చుకుంది. ఒక తనిఖీ సుమారు 68% సార్లు మాత్రమే సరైనది, కాబట్టి వారు దాన్ని పునరావృతం చేస్తారు: వరుసగా ఆరు “ఒక ఫోనాన్” జవాబుల తర్వాత, దిమ్మెలో సరిగ్గా ఒక ఫోనాన్ ఉండే సంభావ్యత 85%.

తర్వాత వారు అడుగుతూనే ఉన్నారు — వరుసగా 294 సార్లు. ముడి జవాబుల్లోనే అది కంటికి కనిపిస్తుంది: ఎక్కువగా “ఒకటి” ఉన్న ఒక సుదీర్ఘ భాగం, ఆపై ఎక్కువగా “సున్నా” కు ఒక్కసారిగా మార్పు. దిమ్మె తన శక్తిని క్రమంగా కారిపోనివ్వలేదు; అది తన ఏకైక ఫోనాన్‌ను ఒకే దూకుతో కోల్పోయింది, ఒక రన్ నుంచి మరో రన్‌కు మారే యాదృచ్ఛిక క్షణంలో. ఈ దూకుల సమయాలు ఘాతాంక నియమాన్ని పాటిస్తాయి — స్వయంచాలిత, జ్ఞాపకశక్తి లేని ప్రక్రియ యొక్క ముద్ర ఇది.

దీన్ని సాధ్యం చేసిన సంఖ్యలు

• ఈ దిమ్మెలో ఒక ఫోనాన్ 2.1 మిల్లీసెకన్లు నిలుస్తుంది; గిగాహెర్ట్జ్ పౌనఃపున్యాల వద్ద ఈ రకం అనునాదకానికి ఇది అసాధారణంగా ఎక్కువ కాలమని రచయితలు అంటారు. దీనికి వారు రెండు ఎంపికలను కారణంగా చెబుతారు: అనునాదకాన్ని ఏ లోహమూ తాకదు, దాన్ని చెక్కడానికి వాడే అయాన్ పుంజం దాని పై ఉపరితలాన్ని ఎప్పుడూ తాకదు.
• దీనివల్ల ఒక ఫోనాన్ జీవితకాలంలో సుమారు 170 తనిఖీలకు అవకాశం ఉంటుంది.
• ప్రతి తనిఖీ సుమారు 99% సార్లు ఫోనాన్‌ను చెక్కుచెదరకుండా ఉంచుతుంది. ఈ చిన్న అంతరాయం, గమనిస్తున్నప్పుడు ఫోనాన్ జీవితకాలాన్ని సుమారు 0.65 మిల్లీసెకన్లకు తగ్గిస్తుంది.
• సహకారత (cooperativity) అనే సంయుక్త నాణ్యతా సూచిక 30 లక్షలను మించుతుంది; ఇతర క్వాంటం ధ్వని వేదికల కంటే ఇది పది రెట్లు మెరుగని రచయితలు వర్ణిస్తారు.

ధ్వనితో తయారైన క్వాంటం బిట్‌ల వైపు

రచయితల తదుపరి అడుగు, ఒకే క్యూబిట్‌ను పంచుకునే రెండు యాంత్రిక అనునాదకాలతో తయారైన “డ్యూయల్-రైల్” క్వాంటం బిట్; అందులో ఫోనాన్ కోల్పోవడం గుర్తించగల లోపంగా మారుతుంది. వారి అద్దే సాంకేతికత ఒకే చిప్‌పై అనేక అనునాదకాలను అనుమతిస్తుంది. వారు సెన్సర్ల వైపు కూడా చూపిస్తారు: ఇంత తేలికైన, ఇంత ఎక్కువసేపు కంపించే వస్తువే ఒక్క అణువు బరువును తూచడానికి అవసరం.

ప్రస్తుతానికి కొలతకు ఇంకా పరిమితులు ఉన్నాయి: ఒక తనిఖీ పరిపూర్ణతకు చాలా దూరంలో ఉంది, అది సున్నా ఫోనాన్‌లను రెండు ఫోనాన్‌ల నుంచి వేరు చేయలేదు. రచయితల్లో ఇద్దరు Amazon Scholars, ఈ పనికి Amazon Web Services నిధులు సమకూర్చడంలో సహాయపడింది.

క్వాంటం దూకులు ఇప్పుడు పరమాణువుల్లో, కాంతిలో, ఈ ప్రయోగంతో ధ్వనిలో కూడా కనిపించాయి.