BẮT QUẢ TANG ÂM THANH NHẢY BẬC, TỪNG LƯỢNG TỬ MỘT

Gảy một dây đàn guitar và âm thanh tắt dần đều đặn. Thế nhưng cơ học lượng tử dự đoán rằng năng lượng của bất kỳ vật dao động nào cũng đến theo những gói rời rạc — phonon, các lượng tử của âm thanh. Vấn đề là bạn không thể nhìn thấy chúng bằng cách quan sát vật chuyển động. Một phép đo vị trí chỉ luôn cho thấy một sự suy giảm hàm mũ đều đặn, y hệt một dao động tử cổ điển.

Để làm lộ ra các gói, bạn phải đo chính năng lượng, và làm điều đó mà không làm nhiễu nó: một phép đo gọi là đo lượng tử không phá hủy. Những bước nhảy giữa các mức năng lượng như vậy được thấy lần đầu ở các ion đơn lẻ bị bẫy, sau đó ở các hạt ánh sáng bị giam trong hốc cộng hưởng. Một nhóm tại Đại học Stanford và SLAC, do Amir Safavi-Naeini dẫn dắt, nay đã làm được điều đó với một vật dao động.

Một tinh thể lơ lửng trên qubit

Vật dao động là một khối nhỏ xíu bằng lithi niobat, một tinh thể biến dao động thành điện áp. Nó nằm ở giữa một thanh có hoa văn, trong đó các lỗ tuần hoàn đóng vai trò gương âm học, giữ dao động bên trong. Khối lượng hiệu dụng của nó khoảng 0,2 picogam — một phần năm của một phần nghìn tỷ gam.

Bộ dò là một qubit siêu dẫn, cùng loại mạch được dùng trong máy tính lượng tử. Hai bộ phận được chế tạo riêng, sau đó một máy gắn kết chính xác dập tinh thể lên qubit, để khối lơ lửng chỉ cách nó 75 nanomet.

Sự ghép nối hoạt động như sau: mỗi phonon trong khối làm dịch tần số của qubit 328 kilohertz. Bằng cách căn thời gian một chuỗi xung ngắn, qubit kết thúc ở một trạng thái nếu số phonon là chẵn và ở trạng thái kia nếu số phonon là lẻ. Vì trên thực tế khối chỉ chứa tối đa một phonon, điều này quy về một câu hỏi đơn giản: không hay một? Mỗi lần kiểm tra mất khoảng 12 micro giây.

Những bước nhảy

Trước tiên, nhóm học cách nhận ra một phonon đơn lẻ. Một lần kiểm tra chỉ đúng khoảng 68% số lần, nên họ lặp lại nó: sau sáu câu trả lời “một phonon” liên tiếp, khối chứa đúng một phonon với xác suất 85%.

Sau đó họ tiếp tục hỏi — 294 lần liên tiếp. Các câu trả lời thô đã cho thấy điều đó bằng mắt thường: một quãng dài phần lớn là “một”, rồi chuyển đột ngột sang phần lớn là “không”. Khối không rò rỉ năng lượng từ từ; nó mất phonon duy nhất của mình trong một bước nhảy, vào một thời điểm ngẫu nhiên khác nhau giữa các lần chạy. Thời điểm của những bước nhảy này tuân theo quy luật hàm mũ, dấu hiệu của một quá trình tự phát, không có trí nhớ.

Những con số làm nên điều đó

• Một phonon tồn tại 2,1 mili giây trong khối này, điều mà các tác giả gọi là dài một cách đặc biệt đối với loại bộ cộng hưởng này ở tần số gigahertz. Họ cho rằng có được điều này nhờ hai lựa chọn: không có kim loại nào chạm vào bộ cộng hưởng, và mặt trên của nó không bao giờ bị chùm ion dùng để khắc nó chiếu vào.
• Điều đó tạo chỗ cho khoảng 170 lần kiểm tra trong một thời gian sống của phonon.
• Mỗi lần kiểm tra giữ nguyên phonon trong khoảng 99% số lần. Sự nhiễu nhỏ này rút ngắn thời gian sống của phonon xuống khoảng 0,65 mili giây trong khi nó đang bị quan sát.
• Chỉ số chất lượng tổng hợp, gọi là độ hợp tác (cooperativity), vượt quá 3 triệu, mà các tác giả mô tả là tốt hơn mười lần so với các nền tảng âm học lượng tử khác.

Hướng tới bit lượng tử làm từ âm thanh

Bước tiếp theo của các tác giả là một bit lượng tử “đường ray kép” (dual-rail) gồm hai bộ cộng hưởng cơ học dùng chung một qubit, trong đó việc mất một phonon trở thành một lỗi có thể phát hiện. Kỹ thuật dập của họ cho phép đặt nhiều bộ cộng hưởng trên cùng một con chip. Họ cũng hướng tới các cảm biến: một vật nhẹ đến thế, dao động lâu đến thế, chính là thứ cần có để cân một phân tử đơn lẻ.

Hiện tại, phép đo vẫn còn giới hạn: một lần kiểm tra còn xa mới hoàn hảo, và nó không thể phân biệt không phonon với hai phonon. Hai trong số các tác giả là Amazon Scholars, và Amazon Web Services đã hỗ trợ tài trợ cho công trình.

Các bước nhảy lượng tử nay đã được thấy ở nguyên tử, ở ánh sáng và, với thí nghiệm này, ở âm thanh.