ابداع میکروفونی کوانتومی که به ذرات صوت گوش می‌دهد

میکروفون کوانتومی که به‌وسیله‌ی پژوهشگران دانشگاه استنفورد توسعه پیدا کرده و جزئیات آن در مجله‌ی Nature منتشر شده است، می‌تواند درنهایت منجر به توسعه‌ی کامپیوترهای کوانتومی کوچک‌تر و کارآمدتری شود که به‌جای نور، با دستکاری صوت کار می‌کنند. امیر صفوی نائینی، پژوهشگر مطالعه می‌گوید:

ما انتظار داریم که این دستگاه امکان طراحی انواع جدید حسگرهای کوانتومی، مبدل‌ها و دستگاه‌های ذخیره‌ساز را برای ماشین‌های کوانتومی آینده فراهم کند.

فونون‌ها که نخستین بار به‌وسیله‌ی آلبرت انیشتین در سال ۱۹۰۷ معرفی شدند، بسته‌هایی از انرژی ارتعاشی هستند که از اتم‌های ناآرام آزاد می‌شوند. این بسته‌های رویت‌ناپذیر یا «کوانتا»، بسته به فرکانس خود به‌صورت صدا یا گرما ظاهر می‌شوند. همچون فوتون‌ها که حامل‌های کوانتومی نور محسوب می‌شوند، فونون‌ها کوانتیزه هستند؛ بدین معنا که انرژی‌های ارتعاشی آن‌ها مانند راه‌پله‌ای تشکیل‌شده از پلکان‌های متمایز، محدود به مقادیر گسسته است. صفوی نائینی می‌گوید:

صدا دارای سطح‌بندی ریزی است که ما به‌طور معمول آن را تجربه نمی‌کنیم. صدا در سطح کوانتومی گسسته است.

انرژی یک سیستم مکانیکی می‌تواند براساس تعداد فونون‌هایی که در آن تولید می‌شود، به‌صورت حالت‌های «فوک» از صفر تا N نمایش داده شود. به‌عنوان مثال، «حالت فوک ۱»، متشکل از یک فونون از یک مقدار انرژی خاص است؛ «حالت فوک ۲» از دو فونون با همان مقدار انرژی تشکیل شده و به‌همین ترتیب برای دیگر مقادیر. حالت‌های بالاتر فونون، مربوط به صداهای بلندتر است. تا به حال، دانشمندان قادر نبوده‌اند که حالت‌های فونون را به‌طور مستقیم در ساختارهای مهندسی‌شده اندازه‌گیری کنند به‌علت اینکه اختلاف انرژی بین حالت‌های مختلف، در مثال پله‌ها - فضای بین پلکان‌ها - بسیار ناچیز است. پاتریسیو آرنگویز آریولا یکی از نویسندگان مقاله می‌گوید:

انرژی یک فونون ده تریلیون بار کمتر از انرژی مورد نیاز برای روشن نگه داشتن یک لامپ به‌مدت یک ثانیه است.

پژوهشگران دانشگاه استنفورد برای پرداختن به این مسئله، حساس‌ترین میکروفون جهان را طراحی کردند؛ میکروفونی که برای شنیدن نجوای اتم‌ها از اصول کوانتومی استفاده می‌کند. در یک میکروفون معمولی، امواج صوت یک غشای داخلی را به ارتعاش درمی‌آورند و این جا‌به‌جایی فیزیکی تبدیل به ولتاژی قابل اندازه‌گیری می‌شود. این روش برای تشخیص فونون‌ها به‌صورت انفرادی نتیجه‌بخش نیست زیرا براساس اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، موقعیت یک شیء کوانتومی را بدون تغییر آن نمی‌توان به‌دقت تعیین کرد. صفوی نائینی می‌گوید:

اگر شما سعی کنید که تعداد فونون‌ها را با استفاده از یک میکروفون معمولی اندازه‌گیری کنید، عمل اندازه‌گیری موجب تزریق یک انرژی به سیستم می‌شود که آن انرژی کوچکی که شما می‌خواهید اندازه گیری کنید را پنهان می‌کند.

درعوض، فیزیکدانان راهی برای اندازه‌گیری مستقیم حالت‌های فوک و سپس تعداد فونون‌ها در امواج صوتی طراحی کردند. صفوی نائینی می‌گوید:

ماشین‌های کوانتومی به ما می‌گویند که موقعیت و اندازه حرکت را نمی‌توان به‌دقت مشخص کرد؛ اما چنین چیزی درمورد انرژی گفته نمی‌شود. انرژی می‌تواند با دقت نامحدودی شناخته شود.

ترسیم هنری یک آرایه‌ از تشدیدگرهای نانومکانیکی که برای تولید و به دام انداختن ذرات صوت یا فونون‌ها طراحی شده است. حرکات مکانیکی فونون‌های به دام انداخته شده به‌وسیله‌ی یک شناساگر کیوبیت که فرکانس آن بسته به تعداد فونون‌های موجود در تشدیدگر تغییر می‌کند، حس می‌شود. شمار متفاوت فونون‌ها به‌صورت قله‌های مجزایی در طیف کیوبیت که به‌صورت شماتیک در پشت تشدیدگرها نشان داده شده، قابل مشاهده است

میکروفون کوانتومی که پژوهشگران توسعه داده‌اند، از یک سری تشدیدگرهای نانومکانیکی فوق سرد تشکیل شده و چنان کوچک است که تنها با میکروسکوپ الکترونی می‌توان آن را مشاهده کرد. تشدیدگرها با یک مدار ابررسانا جفت شده‌اند که حاوی جفت الکترون‌هایی است که بدون مقاومت در اطراف در حرکت هستند. این مدار یک «بیت کوانتومی» یا «کیوبیت» را تشکیل می‌دهد که می‌تواند در یک زمان به هر دو حالت وجود داشته باشد و فرکانسی طبیعی دارد که به‌صورت الکتریکی قابل خواندن است. وقتی تشدیدگرهای مکانیکی مانند پوست یک طبل به ارتعاش در می‌آیند، فونون‌هایی در حالت‌های مختلف تولید می‌کنند. آرنگویز آریولا می‌گوید:

تشدیدگرها از ساختارهای متناوبی تشکیل شده‌اند که همچون آینه‌ای برای صدا عمل می‌کنند. با ایجاد نقایصی در این شبکه‌های مصنوعی ما می‌توانیم فونون‌ها را در میانه‌ی ساختار به دام اندازیم.

همچون زندانیان یاغی، فونون‌های به دام انداخته شده، به دیوار زندان خویش ضربه می‌زنند و این حرکات مکانیکی به‌وسیله‌ی سیم‌های فوق‌العاده نازکی به کیوبیت منتقل می‌شوند. الکس ولاک پژوهشگر این مطالعه می‌گوید:

حساسیت کیوبیت نسبت‌به جا‌به‌جایی، به‌ویژه هنگامی که فرکانس‌های کیوبیت و تشدیدگرها نزدیک هم باشد، بسیار زیاد است.

البته پژوهشگران با تنظیم مجدد سیستم به‌صورتی که کیوبیت و تشدیدگرها در فرکانس‌های بسیار متفاوتی دچار ارتعاش شوند، این ارتباط مکانیکی را تضعیف کردند و موجب آغاز نوعی اثر متقابل کوانتومی به نام اثر متقابل پراکندگی شدند که به‌طور مستقیم کیوبیت را به فونون‌ها متصل می‌کرد. این پیوند موجب شد که فرکانس کیوبیت متناسب با تعداد فونون‌ها در تشدیدگرها تغییر کند. پژوهشگران با اندازه‌گیری تغییر کیوبیت‌ها در صدا توانستند سطح انرژی کوانتیزه‌شده‌ی تشدیدگرهای درحال ارتعاش را اندازه‌گیری کنند. صفوی نائینی گفت:

سطوح مختلف انرژی فونون به‌صورت قله‌های مجزا در طیف کیوبیت آشکار می‌شوند. این قله‌ها به حالت‌های فوک صفر، یک ، دو و... مربوط می‌شوند. این قله‌های چندگانه قبلا هرگز دیده نشده بود.

تسلط بر ایجاد و تشخیص دقیق فونون‌ها می‌تواند مسیر را برای توسعه‌ی انواع جدیدی از دستگاه‌های کوانتومی که قادر به ذخیره و بازیابی اطلاعات رمزگذاری شده به‌صورت ذرات صدا هستند یا می‌توانند به‌صورت یکپارچه بین سیگنال‌های نوری و مکانیکی تغییر وضعیت دهند، هموار می‌کند. چنین دستگاه‌هایی احتمالا می‌توانند فشرده‌تر و کارآمدتر از ماشین‌های کوانتومی باشند که از فوتون‌ها استفاده می‌کنند؛ زیرا دستکاری فونون‌ها راحت‌تر است و دارای طول موج‌هایی هستند که هزاران بار کوچک‌تر از طول موج ذرات نور است. صفوی نائینی توضیح می‌دهد:

در حال حاضر افراد برای رمزگذاری این حالت‌ها از فوتون‌ها استفاده می‌کنند. ما می‌خواهیم از فونون‌ها استفاده کنیم که مزیت‌های بسیار بیشتری دارند. دستگاه ما گامی مهم در جهت ساخت کامپیوترهای مکانیکی است که براساس اصول مکانیک کوانتومی کار می‌کنند.