مشاهده مستقیم جهش کوانتومی صدا؛ دستاوردی جدید در فیزیک فونونی

پژوهشگران دانشگاه استنفورد در یک موفقیت علمی بی‌سابقه، موفق شدند برای نخستین‌بار جهش کوانتومی صدا را به‌صورت مستقیم و در لحظه در یک تشدیدگر مکانیکی ثبت کنند. این دستاورد علمی می‌تواند مسیر توسعه فناوری‌های نوین مبتنی بر صوت را در حوزه‌های مختلف تغییر دهد.

تحول در درک رفتار فونون‌ها و جهش‌های کوانتومی

در دنیای فیزیک، برخلاف نور که از فوتون استفاده می‌شود، واحد کوانتومی ارتعاشات و صدا را فونون می‌نامند. جهش کوانتومی به معنای انتقال ناگهانی یک سامانه از یک سطح انرژی به سطح دیگر است. اگرچه این پدیده پیش‌تر در یون‌ها و فوتون‌ها مشاهده شده بود، اما مشاهده مستقیم رفتار کوانتومی صدا تا پیش از این مطالعه امکان‌پذیر نبود.

تیم تحقیقاتی به سرپرستی امیر صفوی‌نائینی نشان داد که اجسام در حال ارتعاش نیز می‌توانند رفتارهای کوانتومی از خود نشان دهند. این کشف، پیش‌شرطی اساسی برای پیشرفت در حوزه‌های زیر محسوب می‌شود:

• توسعه رایانش کوانتومی با دقت بالاتر
• ساخت حسگرهای کوانتومی فوق‌حساس
• تکنولوژی‌های صوتی نسل آینده

ساختار تشدیدگر مکانیکی و نقش کیوبیت‌ها

کلید موفقیت این آزمایش، استفاده از یک تشدیدگر مکانیکی بسیار کوچک و دقیق بود که مشابه فناوری‌های ساخت تراشه تولید شده است. این سامانه که مانند یک دیاپازون میکروسکوپی عمل می‌کند، توانست حدود ۲ میلی‌ثانیه به ارتعاش خود ادامه دهد. این بازه زمانی طولانی به دانشمندان اجازه داد تا صدها بار وضعیت سامانه را اندازه‌گیری کنند.

برای جلوگیری از تخریب حالت‌های ظریف کوانتومی در هنگام اندازه‌گیری، پژوهشگران از یک کیوبیت ابررسانا به‌عنوان آشکارساز استفاده کردند. این ترکیب هوشمندانه اجازه داد تا لحظه دقیق جهش انرژی از حالت ۱ به حالت ۰ بدون آسیب به سامانه، ثبت شود.

کاربردهای آینده: از تصحیح خطا تا زیست‌فناوری

یکی از حیاتی‌ترین کاربردهای این فناوری، تصحیح خطا در رایانش کوانتومی است. از آنجا که رایانه‌های کوانتومی مستعد خطاهای ناشی از جهش‌های ناگهانی هستند، شناسایی دقیق زمان وقوع این پدیده‌ها می‌تواند پایداری محاسبات را تضمین کند.

علاوه بر محاسبات، این فناوری پتانسیل بالایی در حوزه زیست‌شناسی دارد. پژوهشگران در حال بررسی امکان استفاده از این پلتفرم برای شناسایی دقیق پروتئین‌ها در داخل سلول‌های زنده هستند که می‌تواند انقلابی در تشخیص‌های پزشکی ایجاد کند.

در نهایت، مشاهده مستقیم جهش کوانتومی صدا فراتر از یک تایید آزمایشگاهی، بستری برای کنترل دقیق‌تر ارتعاشات در دستگاه‌های الکترونیکی و گوشی‌های هوشمند فراهم می‌کند که در آینده عملکرد آن‌ها را به طرز چشمگیری بهبود خواهد بخشید.