هذا هو أهدأ صوت في الكون

خلقت مجموعة فاضل حالة احتوت فيها البلورة على تراكب فونون واحد وصفر فونونات. يقول فاضل: “بمعنى ما ، فإن البلور في حالة لا يزال فيه ويهتز في نفس الوقت”. للقيام بذلك ، يستخدمون نبضات الميكروويف لعمل دائرة صغيرة فائقة التوصيل تنتج مجال قوة يمكنهم التحكم فيه بدقة عالية. يدفع مجال القوة هذا قطعة صغيرة من مادة متصلة بالبلورة لإدخال فونونات اهتزازية واحدة. باعتباره أكبر كائن يُظهر غرابة كمومية حتى الآن ، فإنه يدفع فهم الفيزيائيين للواجهة بين العالم الكمي والعالم الكلاسيكي.

على وجه التحديد ، تتطرق التجربة إلى لغز مركزي في ميكانيكا الكم ، يُعرف باسم “مشكلة القياس”. وفقًا للتفسير الأكثر شيوعًا لميكانيكا الكم ، فإن عملية قياس جسم في حالة تراكب باستخدام جهاز مجهري (شيء كبير نسبيًا ، مثل الكاميرا أو عداد جيجر) يدمر التراكب. على سبيل المثال ، في تجربة الشق المزدوج ، إذا كنت تستخدم جهازًا للكشف عن إلكترون ، فلن تراه في جميع مواضع الموجة المحتملة ، ولكنك ثابت ، على ما يبدو عشوائيًا ، في نقطة معينة.

لكن اقترح علماء فيزياء آخرون بدائل للمساعدة في تفسير ميكانيكا الكم التي لا تتضمن القياس ، والمعروفة باسم نماذج الانهيار. يفترض هؤلاء أن ميكانيكا الكم ، كما هو مقبول حاليًا ، هي نظرية تقريبية. عندما تكبر الأشياء ، فإن بعض الظواهر غير المكتشفة تمنع الأشياء من التواجد في حالات التراكب – وهذا ، وليس فعل قياس التراكب ، هو الذي يمنعنا من مواجهتها في العالم من حولنا. من خلال دفع التراكب الكمي إلى أجسام أكبر ، فإن تجربة فاضل تقيد ما يمكن أن تكون عليه هذه الظاهرة غير المعروفة ، كما يقول تيموثي كوفاتشي ، أستاذ الفيزياء في جامعة نورث وسترن الذي لم يشارك في التجربة.

تمتد فوائد التحكم في الاهتزازات الفردية في البلورات إلى ما هو أبعد من مجرد التحقيق في نظرية الكم – فهناك تطبيقات عملية أيضًا. يطور الباحثون تقنيات تستخدم الفونونات في أشياء مثل كريستال فاضل كمستشعرات دقيقة. على سبيل المثال ، يمكن للأشياء التي تحتوي على فونونات فردية أن تقيس كتلة الأجسام الخفيفة للغاية ، كما يقول الفيزيائي أمير صفوي نيني من جامعة ستانفورد. يمكن للقوى الخفيفة للغاية أن تسبب تغيرات في هذه الحالات الكمومية الحساسة. على سبيل المثال ، إذا هبط بروتين على بلورة تشبه بلورة فاضل ، يمكن للباحثين قياس التغيرات الصغيرة في تردد اهتزاز البلورة لتحديد كتلة البروتين.

بالإضافة إلى ذلك ، يهتم الباحثون باستخدام الاهتزازات الكمومية لتخزين المعلومات لأجهزة الكمبيوتر الكمومية ، التي تخزن وتعالج المعلومات المشفرة في حالة التراكب. تميل الاهتزازات إلى الاستمرار لفترة طويلة نسبيًا ، مما يجعلها مرشحًا واعدًا للذاكرة الكمومية ، كما يقول صفوي نيني. يقول: “الصوت لا ينتقل في الفراغ”. “عندما يصطدم اهتزاز على سطح جسم ما أو داخله بحدود ، فإنه يتوقف عند هذا الحد.” تميل خاصية الصوت هذه إلى الحفاظ على المعلومات لفترة أطول مما هي عليه في الفوتونات ، وهي شائعة الاستخدام في النماذج الأولية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية ، على الرغم من أن الباحثين لا يزالون بحاجة إلى تطوير تقنية تعتمد على الفونون. (لا يزال العلماء يستكشفون التطبيقات التجارية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية بشكل عام ، ولكن يعتقد الكثيرون أن قدرتها المتزايدة على المعالجة يمكن أن تكون مفيدة في تصميم مواد جديدة وعقاقير صيدلانية).

في العمل المستقبلي ، يريد فاضل إجراء تجارب مماثلة على أشياء أكبر. يريد أيضًا دراسة كيف يمكن للجاذبية أن تؤثر على الحالات الكمومية. تصف نظرية الجاذبية الفيزيائيين سلوك الأجسام الكبيرة بدقة ، بينما تصف ميكانيكا الكم الأجسام المجهرية بدقة. “إذا فكرت في أجهزة الكمبيوتر الكمومية أو أجهزة الاستشعار الكمومية ، فستكون حتمًا أنظمة كبيرة. لذا من الضروري أن نفهم ما إذا كانت ميكانيكا الكم تتعطل لأنظمة ذات حجم أكبر ، كما يقول فاضل.

بينما يتعمق الباحثون في ميكانيكا الكم ، تطورت غرابتها من تجربة فكرية إلى سؤال عملي. إن فهم أين تكمن الحدود بين العالمين الكم والكلاسيكي سيؤثر على تطوير الأجهزة العلمية وأجهزة الكمبيوتر المستقبلية – إذا كان من الممكن العثور على هذه المعرفة. يقول فاضل: “هذه تجارب أساسية ، تكاد تكون فلسفية”. “لكنها أيضًا مهمة لتقنيات المستقبل.”