เมื่อเสียงหายไปในพริบตา เปิดกฎลับของโลกควอนตัม

ควอนตัมจัมป์เสียงคืออะไร และทำไมการเห็นมันสำคัญกว่าที่คิด

ควอนตัมจัมป์เสียงคือการเปลี่ยนสถานะพลังงานของการสั่นในระดับอะตอมแบบกระโดดจากค่าเต็มหนึ่งไปอีกค่าหนึ่ง ไม่ได้เปลี่ยนอย่างต่อเนื่องเหมือนเสียงระฆังค่อยๆ เบาลง ในระดับควอนตัมการสั่นถูกอธิบายผ่านโฟนอนควอนตัม ซึ่งเป็นหน่วยพลังงานแบบแพ็กเกต ส่งผลให้การสูญเสียหรือเพิ่มพลังงานเกิดขึ้นทีละขั้น เป็นสถานะพลังงานไม่ต่อเนื่องที่สะท้อนกฎพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัมการสังเกต และเป็นกุญแจสำคัญในการสร้างระบบการคำนวณควอนตัมและการประมวลผลข้อมูลควอนตัมที่พึ่งพาการควบคุมการสั่นระดับไมโครแบบแม่นยำ

แก่นสำคัญของงานล่าสุดจากสแตนฟอร์ดคือ นักฟิสิกส์ไม่ได้แค่พิสูจน์แนวคิดเชิงทฤษฎี แต่เฝ้าดูควอนตัมจัมป์ของเสียงแบบเรียลไทม์ในอุปกรณ์จริง นักวิจัยติดตามไมโครเรโซเนเตอร์เชิงกลที่เชื่อมต่อกับซูเปอร์คอนดักติ้งคิวบิต พบว่าระบบคงอยู่ในสถานะหนึ่งโฟนอนแล้วกระโดดสู่สถานะพื้นอย่างฉับพลัน โดยเป็นการสังเกตควอนตัมจัมป์เสียงรายตัวครั้งแรกในเรโซเนเตอร์เชิงกล งานนี้ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์ระดับแนวหน้า และนำทีมโดย Amir Safavi-Naeini พร้อมผู้เขียนร่วมหลัก Takuma Makihara และ Erik Szakiel นี่ไม่ใช่แค่ชัยชนะทางทฤษฎี แต่เป็นการยืนยันด้วยสายตาว่าโลกไมโครเดินตามบันไดพลังงาน ไม่ใช่ทางลาดเรียบอย่างที่สายตามนุษย์เห็น

เสียงที่ดูเรียบต่อเนื่อง ซ่อนบันไดพลังงานสถานะพลังงานไม่ต่อเนื่อง

หูของเราฟังเสียงกระดิ่งหรือตะโพนแล้วรู้สึกว่าความดังค่อยๆ ลดลงอย่างต่อเนื่อง แต่กลศาสตร์ควอนตัมกลับบอกเรื่องอีกแบบว่า การสั่นนั้นเก็บพลังงานเป็นขั้นบันได ไม่ใช่ทางลาดโลก เรโซเนเตอร์หนึ่งโหมดที่มีความถี่ f จะมีระดับพลังงานถูกแยกจากกันด้วยค่า hf โดย h คือค่าคงที่ของแพลงก์ นั่นหมายความว่าพลังงานของโหมดสั่นมีเฉพาะค่าที่เป็นขั้น ไม่ใช่ทุกค่าในช่วงต่อเนื่อง เมื่อเรโซเนเตอร์อยู่ในสถานะกระตุ้นตัวแรก มันจะมีโฟนอนหนึ่งตัวมากกว่าสถานะพื้น

โฟนอนควอนตัมไม่ใช่อนุภาคเล็กๆ ที่ลอยในอากาศ แต่คือการอธิบายเชิงควอนตัมของการสั่นประสานกันของอะตอมจำนวนมากในของแข็ง เปรียบได้กับโฟตอนซึ่งเป็นหน่วยพลังงานของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า แต่โฟนอนเป็นหน่วยของโหมดสั่น เมื่อเรโซเนเตอร์สูญเสียโฟนอนทีละตัว มันกำลังเดินลงบันไดพลังงาน ทีละขั้นจนหมดพลังงานกระตุ้น ใกล้โลกมหาภาค จำนวนโฟนอนมีมหาศาล การสูญเสียทีละหน่วยจึงละเอียดเกินตรวจจับจนดูเหมือนเสียงจางลงเรียบเนียน แต่ในระดับไมโคร การเห็นควอนตัมจัมป์เสียงชัดเจนคือหลักฐานตรงว่าทฤษฎีกว่า 100 ปีของควอนตัมเรื่องสถานะพลังงานไม่ต่อเนื่องนั้นสอดคล้องกับการสังเกตของจริง

เทคนิคสังเกตโฟนอนหายไปแบบเรียลไทม์ กลศาสตร์ควอนตัมการสังเกตในสนามจริง

ปัญหาที่ทำให้นักฟิสิกส์รอการเห็นควอนตัมจัมป์เสียงมานานไม่ใช่แค่การสร้างเรโซเนเตอร์ แต่คือการวัดโดยไม่ทำลายสถานะควอนตัมกลศาสตร์ควอนตัมการสังเกตมักมีด้านมืดคือ วัดทีไรระบบล้มพัง งานนี้ฉลาดตรงที่นำเรโซเนเตอร์เชิงกลขนาดนาโนมาต่อกับซูเปอร์คอนดักติ้งคิวบิตแบบกระจาย ทำให้ความถี่ของคิวบิตขึ้นกับจำนวนโฟนอนแต่ละโฟนอนจะเลื่อนความถี่ของคิวบิตไป 328 กิโลเฮิรตซ์ จากนั้นใช้พัลส์ไมโครเวฟออกแบบพิเศษเปลี่ยนการเลื่อนนี้เป็นคำถามซ้ำๆ ว่าในเรโซเนเตอร์มีจำนวนโฟนอนเป็นคี่หรือคู่ จึงติดตามจำนวนโฟนอนโดยไม่ทำลายสถานะโดยตรง

หัวใจอีกประการคือเวลา เรโซเนเตอร์ลิเธียมไนโอเบตที่สร้างด้วยเทคนิคไมโครชิปนี้มีอายุการสั่นหรือเวลาระงับเสียง 2.1 มิลลิวินาทีเมื่อปล่อยให้สั่นเองโดยไม่วัดอย่างต่อเนื่อง ฟังดูสั้นแต่พอสำหรับการวัดควอนตัมหลายร้อยครั้ง งานหนึ่งเปรียบว่าหากเทียบเป็นส้อมเสียงขนาดปกติ มันจะดังอยู่หลายชั่วโมง นักวิจัยใช้การวัด parity ซ้ำๆ เพื่อทั้งเตรียมและติดตามสถานะ เลือกชุดข้อมูลที่ผลตรวจหกครั้งต่อเนื่องบ่งชี้ว่ามีหนึ่งโฟนอน ทำให้ความมั่นใจว่าสถานะเริ่มต้นคือหนึ่งโฟนอนสูงถึงราว 85 เปอร์เซ็นต์ จากนั้นดำเนินการตรวจต่ออีก 294 ครั้งในแต่ละเส้นทางการสั่น รวมแล้วมี 8,447 เส้นทางที่เผยให้เห็นช่วงเวลารอคอยจนโฟนอนสุดท้ายหายไป ซึ่งมีรูปแบบกระจายเอ็กซ์โปเนนเชียลที่สอดคล้องกับการสลายตัวควอนตัมแบบสุ่มไร้ความจำ

จากไอออน โฟตอน สู่โฟนอนควอนตัม เสียงกลายเป็นแพลตฟอร์มควอนตัมเต็มตัว

แนวคิดควอนตัมจัมป์อยู่ในทฤษฎีตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ผ่านมา แต่การเห็นด้วยการทดลองเป็นขั้นๆ กินเวลานาน ก้าวแรกคือการสังเกตการกระโดดของสถานะพลังงานในไอออนที่ถูกกักในกับดักไฟฟ้าในปี 1986 ตามด้วยควอนตัมจัมป์ของโฟตอนในปี 2007 เสียงหรือโฟนอนควอนตัมเป็นเป้าหมายที่ยากกว่า เพราะต้องควบคุมระบบเชิงกลที่เปราะบางและวัดโดยไม่ทำลาย ที่ผ่านมาเคยมีการทำให้เรโซเนเตอร์เชิงกลลงสู่สถานะพื้นควอนตัม และสร้างโฟนอนเดี่ยวขึ้นมา แต่ยังขาดการเห็นการกระโดดรายตัวแบบเวลาจริง

งานของ Safavi-Naeini และทีมคือการปิดช่องว่างนั้นอย่างเด็ดขาด นักวิจัยบันทึกควอนตัมจัมป์ของเสียงในเรโซเนเตอร์เชิงกลขนาดนาโนที่เชื่อมกับซูเปอร์คอนดักติ้งคิวบิตโดยตรงเป็นครั้งแรก การเห็นระบบอยู่ในสถานะหนึ่งโฟนอนก่อนแล้วกระโดดสู่สถานะพื้นอย่างฉับพลันแสดงให้เห็นชัดเจนว่าการเปลี่ยนพลังงานไม่ได้เกิดแบบไหลต่อเนื่อง แต่เป็นแพ็กเกตทีละหน่วยตามที่กลศาสตร์ควอนตัมคาดการณ์มายาวนาน งานนี้จึงไม่ใช่แค่เพิ่มตัวอย่างอีกหนึ่งระบบที่แสดงควอนตัมจัมป์ แต่เป็นการประกาศว่าเสียงหรือการสั่นเชิงกลเองสามารถทำตัวเป็นแพลตฟอร์มควอนตัมเทียบเท่าไอออนและโฟตอน

ก้าวต่อไป การคำนวณควอนตัมด้วยเสียงและภูมิคุ้มกันข้อผิดพลาดด้วยโฟนอน

เมื่อเราเห็นโฟนอนสุดท้ายหายไปจากเรโซเนเตอร์ได้อย่างชัดเจน คำถามต่อไปจึงไม่ใช่ว่า “มันจริงไหม” แต่เป็น “จะใช้มันอย่างไร” Safavi-Naeini กล่าวไว้อย่างชัดเจนว่า “สิ่งที่งานนี้แสดงให้เห็นจะทำให้เราก้าวหน้าต่อในการพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมใหม่ด้วยเสียง” การที่วัตถุที่สั่นสามารถแสดงพฤติกรรมควอนตัมได้ คือเงื่อนไขพื้นฐานสำหรับกระบวนการหลายอย่างที่จำเป็นต่อการคำนวณควอนตัมและการเซนส์ควอนตัม เรโซเนเตอร์เชิงกลที่สร้างด้วยเทคนิคชิปยังมีข้อได้เปรียบด้านสเกล สามารถวางหลายตัวบนชิปเดียวเพื่อทำงานซับซ้อนได้

หนึ่งในทิศทางที่ทีมวิจัยมองคือการใช้โฟนอนเป็นหน่วยข้อมูลในหน่วยความจำควอนตัมเชิงกล ข้อผิดพลาดที่สำคัญคือการสูญเสียโฟนอนแต่ละตัวซึ่งเท่ากับการสูญเสียพลังงานหรือข้อมูล หากเราไม่เห็นข้อผิดพลาดก็แก้ไม่ได้ ดังนั้นการตรวจสอบแบบไม่ทำลายซ้ำๆ จึงเป็นพื้นฐานของสคีม quantum error correction ใดๆ ที่หวังจะเก็บข้อมูลไว้ในสถานะเชิงกล ทีมสแตนฟอร์ดยังร่วมงานกับทีมของ Michael Roukes ที่ Caltech เพื่อสำรวจว่าระบบลักษณะนี้จะใช้ตรวจจับและจำแนกโปรตีนภายในเซลล์ได้หรือไม่ ในภาพกว้าง ความสามารถในการเฝ้าดูควอนตัมจัมป์เสียงแบบเรียลไทม์กำลังเปิดช่องให้เราออกแบบกฎการใช้งานโลกควอนตัมใหม่ โดยใช้เสียงและการสั่นเป็นทรัพยากรเชิงข้อมูล ไม่ใช่แค่ปรากฏการณ์น่าทึ่งทางฟิสิกส์