SES, KUANTUM KUANTUM SIÇRARKEN YAKALANDI

Bir gitar telini çekin; ses düzgünce söner. Oysa kuantum mekaniği, titreşen her cismin enerjisinin ayrık paketler hâlinde geldiğini öngörür — sesin kuantumları olan fononlar. Sorun şu ki onları cismin hareketini izleyerek göremezsiniz. Konum ölçümü her zaman, tıpkı klasik bir osilatörde olduğu gibi, yalnızca düzgün bir üstel sönüm gösterir.

Paketleri ortaya çıkarmak için enerjinin kendisini ölçmeniz ve bunu onu bozmadan yapmanız gerekir: kuantum yıkımsız ölçüm (quantum non-demolition measurement) denen şey. Enerji düzeyleri arasındaki bu tür sıçramalar önce tuzaklanmış tekil iyonlarda, ardından kovuklarda hapsedilmiş ışık parçacıklarında gözlendi. Amir Safavi-Naeini liderliğinde Stanford Üniversitesi ve SLAC’tan bir ekip şimdi bunu titreşen bir cisim için başardı.

Bir kübitin üzerinde süzülen bir kristal

Titreşen cisim, titreşimi gerilime dönüştüren bir kristal olan minik bir lityum niyobat bloğu. Periyodik delikleri akustik ayna işlevi görerek titreşimi içeride hapseden desenli bir kirişin ortasında duruyor. Etkin kütlesi yaklaşık 0,2 pikogram — bir gramın trilyonda birinin beşte biri.

Dedektör, kuantum bilgisayarlarda kullanılan türden bir devre olan süperiletken bir kübit. İki parça ayrı ayrı üretiliyor, ardından hassas bir yapıştırma makinesi kristali kübitin üzerine damgalıyor; böylece blok onun yalnızca 75 nanometre üzerinde süzülüyor.

Bağlaşım şöyle işliyor: bloktaki her fonon, kübitin frekansını 328 kilohertz kaydırıyor. Kısa bir darbe dizisinin zamanlaması ayarlanarak kübit, fonon sayısı çiftse bir durumda, tekse diğer durumda sonlanıyor. Blok pratikte en fazla bir fonon tuttuğundan, bu basit bir soruya indirgeniyor: sıfır mı, bir mi? Her kontrol yaklaşık 12 mikrosaniye sürüyor.

Sıçramalar

Ekip önce tek bir fononu tanımayı öğrendi. Tek bir kontrol zamanın yalnızca yaklaşık %68’inde doğru, bu yüzden tekrarlıyorlar: art arda altı “bir fonon” cevabından sonra blok %85 olasılıkla tam olarak bir fonon tutuyor.

Sonra sormaya devam ettiler — art arda 294 kez. Ham cevaplar bunu daha gözle bile gösteriyor: uzun bir çoğunlukla “bir” dönemi, ardından çoğunlukla “sıfır”a ani bir geçiş. Blok enerjisini yavaş yavaş sızdırmadı; tek fononunu tek bir sıçramayla, bir çalıştırmadan diğerine değişen rastgele bir anda kaybetti. Bu sıçramaların zamanları, kendiliğinden ve belleksiz bir sürecin imzası olan üstel bir yasayı izliyor.

Bunu mümkün kılan sayılar

• Bir fonon bu blokta 2,1 milisaniye hayatta kalıyor; yazarlar bunu gigahertz frekanslarında bu tür bir rezonatör için olağanüstü uzun olarak nitelendiriyor. Bunu iki tercihe bağlıyorlar: rezonatöre hiçbir metal dokunmuyor ve üst yüzeyi, onu aşındırmak için kullanılan iyon demetiyle hiç dövülmüyor.
• Bu, tek bir fonon ömrü içinde yaklaşık 170 kontrole yer bırakıyor.
• Her kontrol, fononu zamanın yaklaşık %99’unda bozulmadan bırakıyor. Küçük rahatsızlık, izlendiği sürece fononun ömrünü yaklaşık 0,65 milisaniyeye kısaltıyor.
• Kooperativite denen birleşik başarım ölçütü 3 milyonu aşıyor; yazarlar bunu diğer kuantum akustik platformlardan on kat daha iyi olarak tanımlıyor.

Sesten yapılmış kuantum bitlerine doğru

Yazarların bir sonraki adımı, tek bir kübiti paylaşan iki mekanik rezonatörden yapılmış “çift raylı” (dual-rail) bir kuantum biti; burada bir fononun kaybı tespit edilebilir bir hataya dönüşüyor. Damgalama teknikleri aynı çip üzerinde birden fazla rezonatöre olanak tanıyor. Sensörlere de işaret ediyorlar: bu kadar hafif ve bu kadar uzun titreşen bir cisim, tek bir molekülü tartmak için gereken şeydir.

Şimdilik ölçümün hâlâ sınırları var: tek bir kontrol kusursuz olmaktan uzak ve sıfır fononu iki fonondan ayırt edemiyor. Yazarlardan ikisi Amazon Scholar ve Amazon Web Services çalışmanın finansmanına katkıda bulundu.

Kuantum sıçramaları artık atomlarda, ışıkta ve bu deneyle birlikte seste görüldü.