مشاهده جهش کوانتومی صدا برای اولین بار: فیزیکدانان گذار آنی فونون‌ها را ثبت کردند

در قلب این آزمایش بی‌سابقه، یک مدار ابررسانا به نام کیوبیت قرار دارد که وظیفه آن خوانش وضعیت یک تشدیدگر مکانیکی میکروسکوپی است، بدون آنکه حالت ظریف آن را از بین ببرد. این مرحله خوانش غیرمخرب، همان نقطه‌ای است که سرنوشت آزمایش را تعیین می‌کند؛ زیرا در مکانیک کوانتومی، اندازه‌گیری معمولاً باعث فروپاشی سیستم می‌شود. پژوهشگران دانشگاه استنفورد با استفاده از این تکنیک توانستند برای اولین بار نشان دهند که واحدهای سازنده صدا، یعنی فونون‌ها، به جای کاهش تدریجی انرژی، به صورت ناگهانی از یک سطح انرژی به سطح دیگر جهش می‌کنند.[1][2]

ایده جهش‌های کوانتومی — تغییرات آنی از یک حالت انرژی به حالت دیگر — از اوایل دهه ۱۹۱۰ میلادی و با مدل اتمی نیلز بور مطرح شد. فیزیکدانان پیش از این توانسته بودند این پدیده را در یون‌های به دام افتاده (در سال ۱۹۸۶) و در فوتون‌ها یا ذرات نور (در سال ۲۰۰۷) مشاهده کنند. اما ثبت این رفتار در صوت به دلیل ماهیت جمعی آن بسیار دشوارتر بود. برخلاف فوتون که یک ذره منفرد است، فونون نماینده حرکت هماهنگ تعداد زیادی از اتم‌هاست.[1][3]

تیم تحقیقاتی به سرپرستی امیر صفوی‌نائینی، دانشیار فیزیک کاربردی در دانشگاه استنفورد، برای حل این مشکل یک تشدیدگر مکانیکی از جنس لیتیوم نایوبات ساختند که تنها ۷۵ نانومتر بالاتر از یک کیوبیت ابررسانا معلق بود. این ساختار شبیه به یک دیاپازون (Tuning fork) میکروسکوپی عمل می‌کند. صفوی‌نائینی در این باره توضیح می‌دهد: «دیاپازون‌های معمولی به تدریج صدایشان ضعیف و ضعیف‌تر می‌شود، اما نسخه کوانتومی آن به گونه‌ای است که آخرین واحد ارتعاش برای مدت زمان تصادفی باقی می‌ماند و سپس به یکباره ناپدید می‌شود.»[1][2]

این تشدیدگر میکروسکوپی می‌تواند برای مدت دو میلی‌ثانیه ارتعاش خود را حفظ کند. اگرچه این زمان در مقیاس انسانی بسیار کوتاه به نظر می‌رسد، اما در دنیای کوانتوم معادل ساعت‌ها ارتعاش برای یک دیاپازون معمولی است. در طول این دو میلی‌ثانیه، کیوبیت به عنوان یک آشکارساز عمل کرده و صدها بار وضعیت تشدیدگر را بررسی می‌کند تا ببیند آیا انرژی آن در حالت ۱ (یک فونون) قرار دارد یا به حالت ۰ (صفر فونون) رسیده است.[1][3]

نتایج این بررسی‌ها که در سپتامبر ۲۰۲۶ در نشریه معتبر ساینس (Science) منتشر شده است، نشان داد که انرژی سیستم به صورت پیوسته کاهش نمی‌یابد. در عوض، سیستم در یک حالت کوانتومی مجاز باقی می‌ماند تا اینکه ناگهان فونون ناپدید می‌شود. دقت این اندازه‌گیری‌های غیرمخرب حدود ۹۹ درصد برآورد شده است که به تیم اجازه داد تا رکوردی دقیق از زمان وقوع این جهش‌های کوانتومی ثبت کنند. تاکوما ماکیهارا، از پژوهشگران این پروژه، می‌گوید: «ما باید فرآیندهای جدیدی را توسعه می‌دادیم تا این شیء مرتعش با طول عمر بالا را بسازیم و سپس آن را با کیوبیت ادغام کنیم، بدون اینکه هیچ‌یک از دو سیستم تخریب شوند.»[2][3]

فراتر از اثبات یک پدیده بنیادین فیزیک، این دستاورد کاربردهای عملی شگرفی دارد. در کامپیوترهای کوانتومی، از دست رفتن یک فونون می‌تواند به عنوان یک خطای قابل ردیابی در نظر گرفته شود. این قابلیت به سیستم‌های آینده اجازه می‌دهد تا خطاهای خود را شناسایی و تصحیح کنند. علاوه بر این، حساسیت فوق‌العاده این پلتفرم مکانیکی-کوانتومی می‌تواند در آینده برای شناسایی پروتئین‌ها در داخل سلول‌ها مورد استفاده قرار گیرد؛ پروژه‌ای که تیم استنفورد هم‌اکنون با همکاری مایکل روکس در موسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) در حال پیگیری آن است.[2][3]

این آزمایش نشان می‌دهد که مرزهای کنترل کوانتومی در حال گسترش به سیستم‌های مکانیکی و فیزیکی بزرگ‌تر هستند. با اثبات اینکه صوت نیز می‌تواند رفتارهای گسسته کوانتومی از خود نشان دهد، فیزیکدانان اکنون ابزار جدیدی برای کاوش در رفتار ماده در مقیاس نانو دارند. گام بعدی این تیم، بهبود بیشتر سیستم اندازه‌گیری و کاهش همان یک درصد خطای باقی‌مانده در خوانش غیرمخرب است تا بتوانند شبکه‌های پیچیده‌تری از تشدیدگرهای صوتی را به یکدیگر متصل کنند.[1][2]

یکی از چالش‌های اصلی در این مسیر، تفاوت ذاتی فونون‌ها با فوتون‌هاست. فوتون‌ها می‌توانند به راحتی در خلأ حرکت کنند، اما فونون‌ها نیازمند یک محیط مادی برای انتشار هستند و به همین دلیل به شدت مستعد از دست دادن انرژی به محیط اطراف (Decoherence) می‌باشند. پژوهشگران برای غلبه بر این مشکل، ایده استفاده از کیوبیت‌های دو-مسیری (Dual-rail qubits) را مطرح کرده‌اند؛ سیستمی که در آن دو تشدیدگر به یک کیوبیت مشترک متصل می‌شوند. در چنین معماری پیشرفته‌ای، ناپدید شدن یک فونون به جای تخریب کل محاسبات، تنها به عنوان یک خطای پاک‌شدگی (Erasure error) ثبت می‌شود که سیستم می‌تواند آن را به طور خودکار نادیده گرفته و تصحیح کند.[1][2]