Fysikere tæller lydpartikler med kvantemikrofon

Stanford-fysikere har udviklet en "kvantemikrofon" så følsom, at den kan måle individuelle partikler af lyd, kaldet fononer.

Enheden, som er detaljeret 24. juli i journalen Natur , kunne i sidste ende føre til mindre, mere effektive kvantecomputere, der fungerer ved at manipulere lyd frem for lys.

"Vi forventer, at denne enhed tillader nye typer kvantesensorer, transducere og lagerenheder til fremtidige kvantemaskiner, " sagde studieleder Amir Safavi-Naeini, en assisterende professor i anvendt fysik ved Stanford's School of Humanities and Sciences.

Kvante af bevægelse

Først foreslået af Albert Einstein i 1907, fononer er pakker af vibrationsenergi, der udsendes af nervøse atomer. Disse udelelige pakker, eller kvantum, bevægelse manifesteret som lyd eller varme, afhængig af deres frekvenser.

Ligesom fotoner, som er lysets kvantebærere, fononer kvantiseres, hvilket betyder, at deres vibrationsenergier er begrænset til diskrete værdier - svarende til hvordan en trappe er sammensat af forskellige trin.

"Lyden har denne granularitet, som vi normalt ikke oplever, " sagde Safavi-Naeini. "Lyd, på kvanteniveau, knitrer."

Energien i et mekanisk system kan repræsenteres som forskellige "Fock"-tilstande - 0, 1, 2, og så videre - baseret på antallet af fononer, det genererer. For eksempel, en "1 Fock-tilstand" består af en fonon af en bestemt energi, en "2 Fock state" består af to fononer med samme energi, og så videre. Højere fonontilstande svarer til højere lyde.

Indtil nu, videnskabsmænd har ikke været i stand til at måle fonontilstande i konstruerede strukturer direkte, fordi energiforskellene mellem tilstande - i trappeanalogien, afstanden mellem trinene - er forsvindende lille. "Én fonon svarer til en energi ti billioner billioner gange mindre end den energi, der kræves for at holde en pære tændt i et sekund, " sagde kandidatstuderende Patricio Arrangoiz-Arriola, en medførsteforfatter af undersøgelsen.

For at løse dette problem, Stanford-teamet konstruerede verdens mest følsomme mikrofon - en, der udnytter kvanteprincipper til at aflytte atomernes hvisken.

I en almindelig mikrofon, indkommende lydbølger rykker en indre membran, og denne fysiske forskydning omdannes til en målbar spænding. Denne tilgang virker ikke til at detektere individuelle fononer, fordi ifølge Heisenbergs usikkerhedsprincip, et kvanteobjekts position kan ikke kendes præcist uden at ændre det.

"Hvis du prøvede at måle antallet af fononer med en almindelig mikrofon, målehandlingen sprøjter energi ind i systemet, der maskerer selve den energi, du prøver at måle, " sagde Safavi-Naeini.

I stedet, fysikerne udtænkte en måde at måle Fock-tilstande på - og dermed, antallet af fononer - direkte i lydbølger. "Kvantemekanik fortæller os, at position og momentum ikke kan kendes præcist - men det siger ikke sådan noget om energi, " sagde Safavi-Naeini. "Energi kan kendes med uendelig præcision."

Syngende qubits

Kvantemikrofonen, som gruppen udviklede, består af en række superkølede nanomekaniske resonatorer, så små, at de kun er synlige gennem et elektronmikroskop. Resonatorerne er koblet til et superledende kredsløb, der indeholder elektronpar, der bevæger sig rundt uden modstand. Kredsløbet danner en kvantebit, eller qubit, der kan eksistere i to tilstande på én gang og har en naturlig frekvens, som kan læses elektronisk. Når de mekaniske resonatorer vibrerer som et trommehoved, de genererer fononer i forskellige tilstande.

"Resonatorerne er dannet af periodiske strukturer, der fungerer som spejle for lyd. Ved at indføre en defekt i disse kunstige gitter, vi kan fange fononerne i midten af ​​strukturerne, " sagde Arrangoiz-Arriola.

Som uregerlige indsatte, de fangede fononer rasler på murene i deres fængsler, og disse mekaniske bevægelser overføres til qubit'en af ​​ultratynde ledninger. "Qubittens følsomhed over for forskydning er især stærk, når frekvenserne af qubitten og resonatorerne er næsten de samme, " sagde fælles førsteforfatter Alex Wollack, også en kandidatstuderende ved Stanford.

Imidlertid, ved at detunere systemet, så qubit og resonatorer vibrerer ved meget forskellige frekvenser, forskerne svækkede denne mekaniske forbindelse og udløste en form for kvanteinteraktion, kendt som en dispersiv interaktion, der direkte forbinder qubit til fononerne.

Denne binding får qubit-frekvensen til at skifte i forhold til antallet af fononer i resonatorerne. Ved at måle qubittens ændringer i melodi, forskerne kunne bestemme de kvantiserede energiniveauer af de vibrerende resonatorer – effektivt løse selve fononerne.

"Forskellige fononenerginiveauer vises som forskellige toppe i qubitspektret, " sagde Safavi-Naeini. "Disse toppe svarer til Fock-tilstande på 0, 1, 2 og så videre. Disse mange tinder var aldrig set før."

Mekanisk kvantemekanisk

At mestre evnen til præcist at generere og detektere fononer kan være med til at bane vejen for nye former for kvanteenheder, der er i stand til at lagre og hente information kodet som partikler af lyd, eller som kan konvertere problemfrit mellem optiske og mekaniske signaler.

Sådanne enheder kunne tænkes gjort mere kompakte og effektive end kvantemaskiner, der bruger fotoner, da fononer er nemmere at manipulere og har bølgelængder, der er tusindvis af gange mindre end lyspartikler.

"Lige nu, folk bruger fotoner til at kode disse tilstande. Vi ønsker at bruge fononer, hvilket bringer en masse fordele med sig, Safavi-Naeini sagde. "Vores enhed er et vigtigt skridt hen imod at lave en 'mekanisk kvantemekanisk' computer."