Ερευνητές από τη Σχολή Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών John A. Paulson του Χάρβαρντ (SEAS) απέδειξαν, για πρώτη φορά, την αλληλεπίδραση ενός μεμονωμένου κβάντου δονητικής ενέργειας με το σπιν ενός ατόμου. Η ανακάλυψη αυτή ανοίγει τον δρόμο για κβαντικές τεχνολογίες που χρησιμοποιούν τον ήχο ως φορέα πληροφοριών, αντί για το φως ή τον ηλεκτρισμό. Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature.
Ο ήχος ως κβαντικός φορέας πληροφοριών
Υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Marko Lončar, η ομάδα κατασκεύασε έναν μηχανικό συντονιστή σε νανομετρική κλίμακα γύρω από ένα κβαντικό υπολογιστικό στοιχείο (qubit) σπιν σε διαμάντι.
Αυτά τα «κέντρα χρώματος» – ατομικά ελαττώματα στην κρυσταλλική δομή του διαμαντιού – λειτουργούν ως κβαντικές μνήμες. Το νέο σύστημα επιτυγχάνει ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ σπιν και φωνονίων, επιλύοντας μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στον τομέα της αποθήκευσης κβαντικών πληροφοριών.
Το φωνόνιο είναι η μικρότερη δυνατή μονάδα ήχου.
Ενώ για να ακούσουμε μουσική χρειάζονται αμέτρητα φωνόνια, ένα μόνο φωνόνιο αρκεί για να αλλάξει την κβαντική κατάσταση ενός qubit.
Οι μηχανικές δονήσεις μπορούν να διατηρηθούν για μεγάλο χρονικό διάστημα καταλαμβάνοντας πολύ μικρότερο χώρο από τα αντίστοιχα ηλεκτρομαγνητικά συστήματα.
Ο παγκόσμιος κβαντικός δίαυλος
Ο Graham Joe, κύριος συγγραφέας της μελέτης, εξήγησε ότι πολλά κβαντικά συστήματα αλληλεπιδρούν ισχυρά με τα φωνόνια. Αυτό καθιστά την κβαντική ακουστική έναν πολλά υποσχόμενο «παγκόσμιο κβαντικό δίαυλο» (universal quantum bus), ο οποίος θα μπορούσε να συνδέσει ανόμοια κβαντικά συστήματα σε υβριδικά δίκτυα πάνω σε μελλοντικά κβαντικά τσιπ.
Εφαρμογές στην ακρίβεια και την αίσθηση
Όταν ένα μόνο φωνόνιο μπορεί να επηρεάσει το ατομικό qubit, το σπιν μετατρέπεται σε έναν εξαιρετικά ευαίσθητο αισθητήρα του μηχανικού του περιβάλλοντος. Η ιδιότητα αυτή μπορεί να αξιοποιηθεί για τη μέτρηση απειροελάχιστων δυνάμεων, τάσεων ή θερμοκρασιακών αλλαγών μέσω της «ακρόασης» του κβαντικού θορύβου της συσκευής.
Τα αποτελέσματα αυτά φέρνουν την επιστήμη πιο κοντά στον πλήρη έλεγχο των κβαντικών ελαττωμάτων σε στερεά σώματα και στη δημιουργία πρακτικών κβαντικών ακουστικών συσκευών που παραμένουν σταθερές και λειτουργικές.