Khi gõ vào một chiếc chuông, tiếng vang nhỏ dần rồi tắt hẳn. Nhưng ở thế giới lượng tử, năng lượng của một hệ dao động có thể tồn tại ở những mức rời rạc. Nó không giảm đều từ cao xuống thấp mà có thể chuyển đột ngột giữa các trạng thái, hiện tượng được gọi là “bước nhảy lượng tử” của âm thanh.

Các nhà khoa học đã quan sát hiện tượng này ở những hệ khác, chẳng hạn ion và photon. Riêng với âm thanh, việc nhìn thấy từng bước nhảy lượng tử vẫn là một thách thức.

Nhóm nghiên cứu do nhà vật lý Amir Safavi-Naeini tại Đại học Stanford dẫn đầu nay đã ghi nhận trực tiếp hiện tượng này trong một bộ cộng hưởng cơ học siêu nhỏ.

Để hiểu thí nghiệm, có thể hình dung photon là đơn vị nhỏ nhất của ánh sáng. Với âm thanh, đơn vị lượng tử tương ứng được gọi là phonon.

Một phonon không phải là một hạt vật chất riêng biệt như electron. Nó đại diện cho một lượng tử dao động của vật chất, được tạo ra bởi chuyển động phối hợp của rất nhiều nguyên tử.

Nhóm nghiên cứu chế tạo một bộ cộng hưởng cơ học nhỏ bằng công nghệ chế tạo chip. Thiết bị hoạt động tương tự một chiếc âm thoa cực nhỏ, nhưng có khả năng duy trì dao động trong khoảng 2 mili giây.

Khoảng thời gian này nghe có vẻ cực ngắn, nhưng ở quy mô lượng tử lại rất quan trọng. Nó đủ dài để các nhà khoa học thực hiện hàng trăm phép đo liên tiếp và xác định thời điểm phonon biến mất khỏi trạng thái kích thích.

Thách thức lớn nhất không chỉ là tạo ra một dao động lượng tử mà còn phải quan sát nó mà không phá hỏng trạng thái mong manh đang được đo.

Để giải quyết vấn đề, các nhà nghiên cứu kết nối bộ cộng hưởng cơ học với một qubit siêu dẫn. Qubit là một mạch điện có thể lưu trữ thông tin lượng tử và trong thí nghiệm này đồng thời đóng vai trò như một bộ dò.

Qubit liên tục kiểm tra trạng thái của bộ cộng hưởng. Qua hàng trăm phép đo trong khoảng 2 mili giây, nhóm nghiên cứu có thể xác định liệu phonon đang ở trạng thái năng lượng 1 hay đã chuyển về trạng thái 0.

Nhờ vậy, thay vì chỉ suy ra rằng một bước nhảy lượng tử từng xảy ra, họ có thể xác định trực tiếp thời điểm nó diễn ra.

Amir Safavi-Naeini cho rằng kết quả này cho thấy các vật thể dao động cũng có thể biểu hiện hành vi lượng tử, một điều kiện cần thiết để phát triển nhiều công nghệ lượng tử dựa trên âm thanh.

Một hướng ứng dụng quan trọng là sửa lỗi lượng tử. Các trạng thái lượng tử rất dễ bị nhiễu. Trong một số kiến trúc máy tính lượng tử, một bước nhảy giữa các trạng thái có thể là dấu hiệu hệ thống đã gặp lỗi.

Nếu có thể phát hiện những thay đổi này nhanh và chính xác, các nhà khoa học có thể xây dựng những phương pháp tốt hơn để nhận biết và sửa lỗi trước khi chúng làm hỏng kết quả tính toán.

Bộ cộng hưởng và qubit trong thí nghiệm cũng có thể trở thành một nền tảng cảm biến cực nhạy. Nhóm Stanford đang hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Caltech để tìm hiểu khả năng sử dụng hệ thống này nhằm phát hiện và nhận dạng protein bên trong tế bào.

Erik Szakiel, đồng tác giả nghiên cứu, cho rằng khả năng kiểm soát âm thanh ở mức cực kỳ chính xác có thể giúp cải thiện những thiết bị sử dụng dao động như một thành phần công nghệ cơ bản.