تنطبق غرابة الكم على الصوت وكذلك على الضوء والجسيمات الذرية
تأتي الموجات الصوتية (الموضحة) في أجزاء كمومية صغيرة تسمى الفونونات. تُظهر التجارب الجديدة كيف تُظهر الفونونات نفس الغرابة الكمية التي تتقاسمها الفوتونات والجسيمات دون الذرية.
FLAVIO COELHO/MOMENT/GETTY IMAGES
لا يمكنك تقسيم كل ما لا يتجزأ ، إلا إذا كنت تستخدم ميكانيكا الكم. تحول علماء الفيزياء الآن إلى التأثيرات الكمومية لتقسيم الفونونات ، وهي أصغر أجزاء الصوت ، حسبما أفاد باحثون في 9 يونيو ساينس.
إنه اختراق يعكس هذا النوع من الغرابة الكمية التي تظهر عادةً مع الضوء أو الجسيمات الدقيقة مثل الإلكترونات والذرات. قد يؤدي الإنجاز في يوم من الأيام إلى إصدارات قائمة على الصوت من أجهزة الكمبيوتر الكمومية أو أجهزة قياس حساسة للغاية. في الوقت الحالي ، يُظهر أن الغرابة الكمومية المُثيرة للعقل تنطبق على الصوت كما تنطبق على الضوء.
يقول عالم الفيزياء الهندسية أندرو كليلاند من جامعة شيكاغو: "لم يكن هناك من اكتشف ذلك حقًا". يتيح القيام بذلك للباحثين "رسم أوجه التشابه بين الموجات الصوتية والضوء."
تشترك الفونونات كثيرًا مع الفوتونات ، وهي أصغر أجزاء الضوء. إن خفض مستوى الصوت يشبه إعادة الاتصال بعدد الفونونات ، تمامًا مثل تعتيم الضوء يقلل من عدد الفوتونات. تتكون الأصوات الأكثر هدوءًا من جميع الأصوات من فونونات فردية وغير قابلة للتجزئة.
على عكس الفوتونات ، التي يمكن أن تنتقل عبر الفضاء الفارغ ، تحتاج الفونونات إلى وسيط مثل الهواء أو الماء - أو في حالة الدراسة الجديدة ، سطح مادة مرنة. يقول كليلاند: "الشيء المدهش حقًا ، في رأيي ، هو أن هذه الموجات الصوتية تحمل كمية صغيرة جدًا جدًا من الطاقة ، لأنها كمية واحدة". "لكنها تنطوي على حركة كوادريليون ذرة تعمل جميعها معًا لنقل هذه الموجة الصوتية."
لا يمكن تقسيم الفونونات بشكل دائم إلى أجزاء أصغر. ولكن ، كما أظهرت التجربة الجديدة ، يمكن تقسيمها مؤقتًا إلى أجزاء باستخدام ميكانيكا الكم.
نجح كليلاند وفريقه في تحقيق هذا الإنجاز باستخدام جهاز تقسيم الحزمة الصوتية ، وهو جهاز يسمح بمرور نصف سيل من الفونونات بينما تنعكس البقية مرة أخرى. ولكن عندما يلتقي هاتف واحد فقط في كل مرة بمقسم الحزمة ، فإن هذا الفونون يدخل حالة كمومية خاصة حيث يذهب في كلا الاتجاهين في وقت واحد. يتفاعل الفونون المنعكس والمرسل في نفس الوقت مع نفسه ، في عملية تُعرف باسم التداخل ، لتغيير المكان الذي ينتهي به في النهاية.
اعتمد عرض المختبر للتأثير على صوت أعلى بملايين المرات مما يمكن أن يسمعه البشر ، في جهاز تم تبريده إلى درجات حرارة قريبة جدًا من الصفر المطلق. بدلاً من مكبرات الصوت والميكروفونات لإنشاء الصوت وسماعه ، استخدم الفريق الكيوبتات ، التي تخزن أجزاء كمية من المعلومات . أطلق الباحثون هاتفًا من كيوبت واحد باتجاه كيوبت آخر. على طول الطريق ، واجه الهاتف مجزئًا شعاعيًا.
أدى ضبط معلمات الإعداد إلى تعديل الطريقة التي تتفاعل بها الأجزاء المنعكسة والمرسلة من الفونون مع بعضها البعض. سمح ذلك للباحثين بتغيير احتمالات عودة الفونون بالكامل إلى الكيوبت الذي أطلق الفونون أو عند الكيوبت على الجانب الآخر من مقسم الحزمة.
أكدت تجربة ثانية السلوك الميكانيكي الكمومي للفونونات عن طريق إرسال فونونات من اثنين كيوبت إلى فاصل شعاع بينهما. يمكن أن ينتهي كل فونون بمفرده في الكيوبت الذي أتى منه أو في الجانب الآخر من مقسم الحزمة.
إذا تم توقيت الفونونات للوصول إلى مقسم الحزمة في نفس الوقت بالضبط ، فإنهم يسافرون معًا إلى وجهتهم النهائية. أي أنهم ما زالوا ينتقلون بشكل غير متوقع إلى كيوبت واحد أو آخر ، لكن ينتهي بهم الأمر دائمًا في نفس الكيوبت عندما يضرب الفونونان جهاز تقسيم الحزمة في وقت واحد.
إذا اتبعت الفونونات القواعد الكلاسيكية غير الكمية للصوت ، فلن يكون هناك ارتباط في المكان الذي يذهب إليه الفونونان بعد ضرب مقسم الحزمة. يمكن أن يكون التأثير بمثابة أساس لبنات البناء الأساسية في أجهزة الكمبيوتر الكمومية المعروفة باسم البوابات.
يقول كليلاند: "الخطوة المنطقية التالية في هذه التجربة هي إثبات أنه يمكننا عمل بوابة كمومية باستخدام الفونونات". "سيكون ذلك بوابة واحدة في تجميع البوابات التي تحتاجها لإجراء حساب فعلي."
من غير المحتمل أن تتفوق الأجهزة القائمة على الصوت على أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تستخدم الفوتونات ، يقول أندرو أرمور ، الفيزيائي بجامعة نوتنغهام في إنجلترا ، والذي لم يشارك في الدراسة ، إن الفونونات يمكن أن تؤدي إلى تطبيقات كمومية جديدة.
يقول أرمور: "ربما ليس من الواضح ما هي [التطبيقات] هذه في الوقت الحالي". "ما تفعله هو توسيع مربع الأدوات [الكم]…. سيبني عليها الناس ، وستستمر ، وليس هناك ما يشير إلى توقفها في أي وقت قريب ".
المصدر