Bilim

Quantum Mikrofon Veri Transferinde Alternatif Olabilir

Sayısı her gün artan iletişim araçlarının birbiriyle haberleşebilmesi için arka planda ciddi bir verinin depolanması, işlenmesi ve transfer edilmesi gerekmektedir. Bu veriler o kadar hızlı transfer edilir ki cihaz kullanıcıları gecikmeyi neredeyse anlamaz. Oysa dikkatli incelendiğinde hiç bir veri a noktasından b noktasına oluştuğu anda ulaştırılamaz.

Yıllardır verinin depolanması, işlenmesi ve transferi için farklı çalışmalar yapılmıştır, internet sağlayıcılar karasal hatlar, RF sistemleri, uydu sistemleri ve fiber hat üzerinden ışık transferi ile internet verisini bir noktadan bir noktaya gönderir, gönderilen bu veriler mekanik, katı hal ve manyetik disklere aktarılır, güçlü bilgisayarlar sayesinde veri işlenir ve çıktılar aynı yöntemle kullanıcıya iletilir.

Sadece 10 yıl önce kullanılan cihaz sayısı ve oluşan veri ile bugün arasında ortalama %400 artış bulunmaktadır. Bu artış verinin farklı yöntemlerle iletilebilmesini ve işlenebilmesini gerekli hale getirmiştir. Daha hızlı veri iletimi ve işleme için fizikçiler quantum düzeyinde araştırmalar yapmaktadır.

Albert Einstein tarafından 1907 lerde önerilen fononlar, titrek atomların yaydığı titreşim enerjisi paketleri olarak tanımlanır. Bu bölünemez kuantlar, frekanslarına bağlı olarak ses veya ısı olarak kendini gösterir. Işığın kuantum taşıyıcıları olan fotonlar gibi fononlar da ölçülür yani titreşimsel enerjileri ayrı bir değerdir.

Fononlar quantum boyurlarında olduğu için bugüne kadar bu titreşimleri okumak mümkün olmuyordu. Standforf Üniversitesi araştırmacıları titreşim verisi olarak kullanılabilecek fononları okuyabilecek düzeyde quantum mikrofon geliştirmeyi başardı.

Mekanik bir sistemin enerjisi, ürettiği fononların sayısına bağlı olarak farklı “Fock” durumları – 0, 1, 2 vb. – olarak temsil edilebilir. Örneğin, bir “1 Fock durumu” belirli bir enerjinin bir fononundan oluşur, bir “2 Fock durumu” aynı enerjiye sahip iki fonondan oluşur vb. Daha yüksek fonon durumları, daha yüksek seslere karşılık gelir.

Şimdiye kadar, bilim adamları, mühendislik yapılarındaki fonon durumlarını doğrudan ölçemediler çünkü durumlar arasındaki enerji farkları – merdiven benzetmesinde, adımlar arasındaki boşluk – yok denecek kadar küçük. Çalışmanın ilk yazarlarından biri olan yüksek lisans öğrencisi Patricio Arrangoiz-Arriola, “Bir fonon, bir ampulü bir saniye açık tutmak için gereken enerjiden on trilyon trilyon kat daha küçük bir enerjiye karşılık gelir” dedi.

Bu sorunu çözmek için Stanford ekibi, atomların fısıltılarını dinlemek için kuantum ilkelerinden yararlanan dünyanın en hassas mikrofonunu tasarladı.

Sıradan bir mikrofonda, gelen ses dalgaları bir iç zarı sallar ve bu fiziksel yer değiştirme ölçülebilir bir voltaja dönüştürülür. Bu yaklaşım, bireysel fononları tespit etmek için işe yaramaz çünkü Heisenberg belirsizlik ilkesine göre, bir kuantum nesnesinin konumu, onu değiştirmeden tam olarak bilinemez.

Safavi-Naeini, “Fononların sayısını normal bir mikrofonla ölçmeye çalıştıysanız, ölçüm eylemi sisteme, ölçmeye çalıştığınız enerjiyi maskeleyen enerji enjekte eder” dedi.

Bunun yerine fizikçiler, doğrudan ses dalgalarında Fock durumlarını – ve dolayısıyla fononların sayısını – ölçmek için bir yol tasarladılar. Safavi-Naeini, “Kuantum mekaniği bize konumun ve momentumun tam olarak bilinemeyeceğini söylüyor – ancak enerji hakkında böyle bir şey söylemiyor” dedi. “Enerji sonsuz bir kesinlikle bilinebilir.”

şarkı söyleyen kübitler
Grubun geliştirdiği kuantum mikrofon, bir dizi aşırı soğutulmuş nanomekanik rezonatörden oluşuyor, o kadar küçük ki sadece elektron mikroskobuyla görülebiliyorlar. Rezonatörler, dirençsiz hareket eden elektron çiftleri içeren bir süper iletken devreye bağlanır. Devre, aynı anda iki durumda bulunabilen ve elektronik olarak okunabilen doğal bir frekansa sahip olan bir kuantum biti veya kübit oluşturur. Mekanik rezonatörler bir davul başlığı gibi titreştiğinde, farklı durumlarda fononlar üretirler.

“Rezonatörler, ses için aynalar gibi davranan periyodik yapılardan oluşur. Arrangoiz-Arriola, “Bu yapay kafeslere bir kusur ekleyerek fononları yapıların ortasında tutabiliriz.” Dedi.

Asi mahkûmlar gibi, kapana kısılmış fononlar da hapishanelerinin duvarlarını sallar ve bu mekanik hareketler kübite ultra ince teller ile iletilir. Aynı zamanda Stanford’da bir yüksek lisans öğrencisi olan ortak ilk yazar Alex Wollack, “Kubitin yer değiştirmeye duyarlılığı, kübit ve rezonatörlerin frekansları neredeyse aynı olduğunda özellikle güçlüdür” dedi.

Bununla birlikte, kübit ve rezonatörler çok farklı frekanslarda titreşecek şekilde sistemi bozarak, araştırmacılar bu mekanik bağlantıyı zayıflattı ve kübiti doğrudan fononlara bağlayan, dağıtıcı etkileşim olarak bilinen bir tür kuantum etkileşimini tetikledi.

Bu bağ, kübit frekansının rezonatörlerdeki fonon sayısıyla orantılı olarak değişmesine neden olur. Kübitin uyumdaki değişikliklerini ölçerek, araştırmacılar titreşen rezonatörlerin nicelenmiş enerji seviyelerini belirleyebildiler – fononları etkili bir şekilde çözerek.

Safavi-Naeini, “Farklı fonon enerji seviyeleri, kübit spektrumunda belirgin zirveler olarak görünüyor.” Dedi. “Bu tepe noktaları, 0, 1, 2 vb. Fock durumlarına karşılık gelir. Bu çoklu zirveler daha önce hiç görülmemişti.”

mekanik kuantum mekanik
Fononları hassas bir şekilde üretme ve tespit etme yeteneğinde ustalaşmak, ses parçacıkları olarak kodlanmış bilgileri depolayabilen ve alabilen ya da optik ve mekanik sinyaller arasında sorunsuz bir şekilde dönüştürebilen yeni tür kuantum cihazlarının yolunu açmaya yardımcı olabilir.

Fononların manipüle edilmesi daha kolay olduğundan ve ışık parçacıklarından binlerce kat daha küçük dalga boylarına sahip olduklarından, bu tür cihazlar, foton kullanan kuantum makinelerinden daha kompakt ve verimli hale getirilebilir.

“Şu anda insanlar bu durumları kodlamak için fotonları kullanıyor. Pek çok avantajı beraberinde getiren fononları kullanmak istiyoruz” dedi Safavi-Naeini. “Cihazımız, ‘mekanik kuantum mekanik’ bir bilgisayar yapma yolunda önemli bir adımdır.”

Üniversite bloğunda yazar olan Amir Safavi-Naeini’mikrofon ile ilgili “Bu cihazın gelecekteki kuantum makineleri için yeni tip kuantum sensörlerine, transdüserlere ve depolama cihazlarına izin vermesini bekliyoruz” dedi.

Kaynak – news.stanford.edu

İlgili Makaleler

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Başa dön tuşu