- Stanford Üniversitesi araştırmacıları, fononlarda (ses titreşimlerinde) kuantum sıçramalarını ilk kez gözlemlediğini bildirdi
- Deneyde lityum niobat ince filmler ve süperiletken kübitler kullanılarak fonon ömrü dört-beş kat büyüklük mertebesinde artırıldı
- Bulgular doğrulanırsa, sistem kuantum hata düzeltmesi, kütle spektrometrisi ve yerçekimi ile ilgili temel fizik deneylerinde kullanılabilir
Giriş
ABD’deki Stanford Üniversitesi’nde bir araştırma ekibi, fononların -ses gibi mekanik titreşimleri taşıyan parçacıkların- kuantum sıçramaları sergilediğini gözlemlediğini bildirdi. Ekip lideri Amir Safavi-Naeini, bu gözlemin cihaz mühendisliği ve nanofabrikasyon alanlarındaki ileri düzey çalışmalar sayesinde mümkün olduğunu belirtti. Araştırma, lityum niobat (LiNbO3) ince filmleri ve süperiletken kübitler kullanılarak gerçekleştirildi. Çalışma Science dergisinde yayımlandı.
Safavi-Naeini, Physics World’e yaptığı açıklamada “Bunu veride gözle görebildik, bu çok tatmin ediciydi” dedi. Araştırmacı, kuantum dünyası ile klasik dünya arasındaki arayüze uzun süredir ilgi duyduğunu ve artık mekanik nesnelerle bu arayüzü günlük deneyime yaklaştırabildiklerini ifade etti.
Lityum Niobat ve Piezoelektrik Etki
Araştırma ekibinin yöntemi, LiNbO3 ince filmleriyle başlıyor. Bu malzemenin toplu (bulk) örnekleri 1950’lerden beri mevcut olsa da, ince-film LiNbO3’ün yaklaşık on yıl önce ticarileşmesi, malzemeyi işleme yöntemini çözdükten sonra ekip için önemli bir dönüm noktası oldu.
LiNbO3 piezoelektrik bir malzeme olduğundan, titreşim gibi bir gerilim altında kaldığında voltaj üretiyor. Bu voltaj, titreşim kuantalarının süperiletken kübitlere bağlanmasını sağlıyor; ardından kübit durumları “okunarak” bir fononun mevcut olup olmadığı belirlenebiliyor.
Fonon Ömrünü Uzatma Süreci
Araştırmacıların karşılaştığı ilk sorun, fononların yalnızca 800 nanosaniyelik bir ömre sahip olmasıydı; bu süre, fononların uyarılmış durumdan taban duruma düşüşünü gözlemlemek için gereken bir milisaniyenin oldukça altındaydı. Safavi-Naeini, fonon tutarlılık sürelerinin uzatılmasının grubundaki çok sayıda lisansüstü öğrencinin yoğun çalışmasını gerektirdiğini belirtti.
Çeşitli dağılma (dissipation) kaynakları incelendikten sonra, yüzey kusurlarının temel sorumlu olduğu anlaşıldı. Ekip bu nedenle kalıntı bırakan polimer işleme yönteminden, bir çipi diğerinin üzerine bindirip metal buharlaştırmayı sağlayan gölge maskelerine (shadow masks) geçti. Safavi-Naeini, cihaz performansındaki dört ila beş kat büyüklük mertebesindeki artışın muhtemelen üç kuşak öğrencinin çalışmasıyla elde edildiğini aktardı.
Fonon ömürleri uzatıldıktan sonra, araştırmacılar “çok temiz ve uzun ömürlü” mekanik ve süperiletken sistemleri birbirini bozmadan birleştirmenin bir yolunu bulmak zorunda kaldı. Safavi-Naeini bu başarıyı, doktoraları boyunca mekanik osilatörlerdeki sorunlarla uğraşan ve ardından bunları süperiletken sistemlere bağlamanın bir yolunu bulan öğrenciler Takuma Makihara ve Erik Szakiel’e atfetti.
Kuantum Hata Düzeltmesi İçin Olası Kullanım
Süperiletken kübitler LiNbO3 içinde çift ya da tek sayıda fonon bulunup bulunmadığını tespit ettiğinden, sistem etkin biçimde bir pariti ölçümü gerçekleştiriyor. Bu özellik, kuantum durumlarını doğrudan ölçmeden -ki bu ölçüm durumların yararlı kuantum özelliklerini bozardı- bir hatanın oluşup oluşmadığını belirlemeyi amaçlayan kuantum hata düzeltmesinde kullanışlı olabilir.
Süperiletken kübitlerdeki en yaygın hata kaynaklarından biri, bir fononun bozunması gibi bir uyarımın kaybıdır. Ancak veriler fononlara çiftler halinde kodlanırsa ve sistem tek sayıda fonon tespit ederse, bu kayıp tüm durumlar ölçülmeden ortaya çıkabilir. “Binom kodu” olarak adlandırılan bu yöntem daha önce mikrodalga fotonları için uygulanmıştı; Safavi-Naeini, yöntemin uzun ömürlü parçacıklarda en iyi şekilde çalıştığını ve bunun ekibin uzun ömürlü fononları için ek bir avantaj olduğunu açıkladı.
| Parametre | Değer |
|---|---|
| Başlangıç fonon ömrü | 800 nanosaniye |
| Hedeflenen gözlem süresi | Yaklaşık 1 milisaniye |
| Elde edilen performans artışı | Dört-beş kat büyüklük mertebesi |
| Hata düzeltmesi/kütle spektrometrisi için gereken ek uzatma | 10 kat |
| Yerçekimi deneyleri için gereken ek uzatma | Yaklaşık altı kat büyüklük mertebesi |
Gelecek Çalışmalar ve Sınırlamalar
Stanford’daki araştırmacılar, Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nden (Caltech) Michael Roukes ve meslektaşlarıyla birlikte, tekil protein kütlelerinin yüksek hassasiyetli ölçümlerine yönelik olası uygulamaları araştırıyor. Ekip ayrıca, mekanik sistemler arasında yerçekimi alanları üzerinden dolanıklık oluşturmanın mümkün olup olmadığı gibi temel bilim sorularıyla da ilgileniyor.
Safavi-Naeini, bu hedeflere ulaşılabilmesi için fonon ömürlerinin çok daha uzun olması gerektiği konusunda uyarıyor: hata düzeltmesi ve kütle spektrometrisi için 10 kat, yerçekimi deneyleri için ise deney düzeneğinde ek değişikliklerle birlikte altı kat büyüklük mertebesine kadar bir uzatma gerekebilir. Araştırmacı, bu malzemelerdeki temel kayıp kaynaklarını anlayarak önümüzdeki on yıl içinde bu deneylere doğru ilerleyebileceklerini umduklarını belirtti.
Sonuç
Stanford ekibinin gözlemleri, fononlarda kuantum sıçramalarının saptanabildiğini ve bu sistemin kuantum hata düzeltmesinden temel fizik sorularına kadar çeşitli alanlarda potansiyel uygulamalara sahip olabileceğini öne sürüyor. Ancak araştırmacılar, bu uygulamaların gerçekleştirilebilmesi için fonon ömürlerinin önemli ölçüde uzatılması gerektiğini vurguluyor. Ekip, malzemelerdeki kayıp kaynaklarını adım adım anlayarak ilerlemeyi planlıyor.
Kaynak: physicsworld.com
