Vì sao âm thanh có thể “nhảy” giữa các mức năng lượng lượng tử?

Trong một bộ cộng hưởng cơ học cực nhỏ, nhóm nghiên cứu do nhà vật lý Amir Safavi-Naeini tại Stanford dẫn dắt đã theo dõi trạng thái rung chuyển đột ngột từ mức có một phonon xuống mức không còn phonon. Điều “nhảy” ở đây không phải sóng âm đổi vị trí trong không gian, mà là năng lượng rung của thiết bị giảm đi đúng một lượng tử thay vì trượt qua mọi giá trị trung gian. [1]

Kết quả trả lời một câu hỏi tưởng như trái với trải nghiệm hằng ngày: vì sao âm thanh thường nhỏ dần liên tục nhưng ở quy mô lượng tử lại thay đổi thành từng nấc? Lý do là tai người cảm nhận tổng hợp vô số chuyển động, còn thí nghiệm này tách được một trạng thái rung đơn lẻ và kiểm tra nó liên tiếp đủ lâu để nhận ra khoảnh khắc chuyển mức. [1]

Phonon là gì và điều gì đã biến mất?

Photon là lượng tử của ánh sáng; với âm thanh, khái niệm tương ứng là phonon. Phonon không phải một hạt vật chất nhỏ bay riêng lẻ. Nó biểu diễn một đơn vị năng lượng trong chuyển động phối hợp của nhiều nguyên tử. Vì thế, nói “một phonon biến mất” có nghĩa bộ cộng hưởng đã mất một lượng tử năng lượng rung, chuyển từ trạng thái 1 xuống trạng thái 0. [1]

Có thể hình dung một cầu thang chỉ cho phép đứng trên các bậc, không có vị trí dừng giữa hai bậc. Trong phép so sánh này, mỗi bậc là một mức năng lượng được phép. Hình ảnh cầu thang chỉ giúp diễn đạt tính rời rạc; nó không có nghĩa phonon là một vật thể đang bước hoặc bộ cộng hưởng thật sự chứa những tầng vật lý.

Vì sao tiếng chuông ngoài đời vẫn nhỏ dần đều?

Một chiếc chuông đang ngân dường như tắt dần rất trơn tru. Tuy nhiên, cảm giác liên tục ấy không loại trừ cấu trúc lượng tử. Khi số lượng tử tham gia rất lớn và các thay đổi riêng lẻ quá nhỏ để tai phân biệt, toàn bộ quá trình có thể trông giống một đường suy giảm đều. Chỉ khi cô lập và theo dõi trạng thái có rất ít năng lượng rung, từng bước chuyển mới lộ ra. [1]

Thí nghiệm Stanford không tuyên bố mọi âm thanh nghe được sẽ phát ra thành những cú ngắt rõ rệt. Đối tượng được quan sát là rung động của một bộ cộng hưởng cơ học được chế tạo bằng công nghệ chế tạo chip. Điều quan trọng nằm ở chỗ một vật đang rung, dù gồm nhiều nguyên tử, vẫn có thể biểu hiện quy luật lượng tử khi trạng thái thích hợp được chuẩn bị và đo đủ chính xác. [1]

Hai mili giây đã tạo ra khác biệt thế nào?

Bộ cộng hưởng trong thí nghiệm tiếp tục rung khoảng hai mili giây. Khoảng thời gian này rất ngắn theo nhịp sống thông thường, nhưng dài khác thường đối với thiết bị vi mô thuộc loại đó. Stanford so sánh rằng nếu một âm thoa kích thước bình thường duy trì dao động tốt theo tỷ lệ tương tự, nó có thể ngân trong nhiều giờ. [1]

Thời gian tắt dần kéo dài cho phép nhóm nghiên cứu thực hiện hàng trăm lần đọc trước khi dao động mất hẳn. Thay vì chỉ đo trạng thái ban đầu rồi kiểm tra kết quả cuối cùng, họ có một chuỗi quan sát nối tiếp. Trong chuỗi ấy, tín hiệu duy trì ở mức 1 rồi đột ngột chuyển sang 0, nhờ đó thời điểm phonon biến mất được nhận diện trực tiếp. [1]

Làm sao quan sát mà không phá hỏng trạng thái?

Đo một hệ lượng tử là việc khó vì phép đo có thể làm xáo trộn chính trạng thái cần theo dõi. Takuma Makihara và Erik Szakiel, hai đồng tác giả chính, đã phát triển cách ghép bộ cộng hưởng với một qubit siêu dẫn. Qubit là mạch điện có thể lưu trữ thông tin lượng tử; trong bố trí này, nó đồng thời đóng vai trò đầu dò cho dao động cơ học. [1]

Trong hai mili giây bộ cộng hưởng còn rung, qubit kiểm tra lặp lại xem trạng thái đang là 1 hay 0. Thách thức không chỉ là đọc tín hiệu, mà còn phải tích hợp hai bộ phận sao cho thời gian duy trì dao động dài của bộ cộng hưởng và hoạt động của qubit không làm hỏng lẫn nhau. Chính sự kết hợp giữa thời gian quan sát dài và phép kiểm tra liên tiếp đã biến một chuyển mức dự đoán bởi lý thuyết thành diễn biến có thể theo dõi theo thời gian thực. [1]

Quan sát này mở ra những khả năng nào?

Một hướng được nhóm nghiên cứu nêu ra là sửa lỗi lượng tử. Trạng thái trong máy tính lượng tử rất mong manh, còn một bước nhảy lượng tử có thể báo hiệu lỗi đã xuất hiện trước khi phép tính hoàn tất. Nếu hệ dùng phonon cho phép nhận biết lúc chuyển mức xảy ra, tín hiệu ấy có thể trở thành đầu mối để phát hiện và xử lý lỗi. Đây mới là khả năng phát triển, chưa phải một hệ sửa lỗi hoàn chỉnh. [1]

Bộ cộng hưởng kết hợp với qubit cũng đang được xem xét như nền tảng đo có độ nhạy cao. Nhóm Stanford hợp tác với nhóm của Michael Roukes tại Caltech để tìm hiểu khả năng phát hiện và nhận diện protein bên trong tế bào. Công trình còn gợi ý rằng khả năng điều khiển rung động tinh vi hơn có thể hữu ích cho các thiết bị dựa trên âm thanh, nhưng chưa xác lập một sản phẩm cụ thể. [1]

Điểm đáng nhớ nhất không phải âm thanh bỗng hành xử kỳ lạ, mà là con người đã có thể nhìn thấy một quy luật vốn bị che khuất trong những dao động thông thường. Khi phép đo đủ nhạy và hệ rung tồn tại đủ lâu, quá trình tưởng như liên tục hiện ra thành một lần chuyển rõ ràng giữa hai mức năng lượng. [1]