Tilføjelse eller fratrækning af enkelte lydkvanta

Forskere udfører eksperimenter, der kan tilføje eller trække et enkelt lydkvantum - med overraskende resultater, når de anvendes på støjende lydfelter.

Kvantemekanikken fortæller os, at fysiske objekter kan have både bølge- og partikelegenskaber. For eksempel, en enkelt partikel – eller kvante – af lys er kendt som en foton, og, på lignende måde, et enkelt lydkvantum er kendt som et fonon, som kan opfattes som den mindste enhed af lydenergi.

Et team af forskere, der spænder over Imperial College London, University of Oxford, Niels Bohr Instituttet, University of Bath, og Australian National University har udført et eksperiment, der kan tilføje eller trække et enkelt fonon til et højfrekvent lydfelt ved hjælp af interaktioner med laserlys.

Holdets resultater hjælper med udviklingen af ​​fremtidige kvanteteknologier, såsom hardwarekomponenter i et fremtidigt 'kvanteinternet', og hjælpe med at bane vejen for test af kvantemekanik på en mere makroskopisk skala. Detaljerne om deres forskning offentliggøres i dag i det prestigefyldte tidsskrift Fysiske anmeldelsesbreve.

For at tilføje eller trække et enkelt lydkvantum, holdet implementerer eksperimentelt en teknik foreslået i 2013, der udnytter korrelationer mellem fotoner og fononer skabt inde i en resonator. Mere specifikt, laserlys sprøjtes ind i en krystallinsk mikroresonator, der understøtter både lyset og de højfrekvente lydbølger.

De to typer bølger kobles derefter til hinanden via en elektromagnetisk interaktion, der skaber lys med en ny frekvens. Derefter, at trække et enkelt fonon fra, holdet detekterer en enkelt foton, der er blevet forskudt i frekvens. "At detektere en enkelt foton giver os et begivenhedsklart signal om, at vi har fratrukket en enkelt fonon, " siger hovedforfatter af projektet Georg Enzian.

Når eksperimentet udføres ved en endelig temperatur, lydfeltet har tilfældige udsving fra termisk støj. Dermed, til en hver tid, det nøjagtige antal tilstedeværende lydkvanter er ukendt, men i gennemsnit vil der være n fononer i starten.

Hvad sker der nu, når du tilføjer eller trækker et enkelt fonon? Ved første tanke, du kan forvente, at dette blot ville ændre gennemsnittet til n + 1 eller n - 1, henholdsvis, men det faktiske resultat trodser denne intuition. Ja, ret kontraintuitivt, når du trækker et enkelt fonon, det gennemsnitlige antal fononer går faktisk op til 2n.

Dette overraskende resultat, hvor det gennemsnitlige antal quanta-dobler er blevet observeret for alle-optiske foton-subtraktionseksperimenter og er observeret for første gang uden for optikken her. "En måde at tænke eksperimentet på er at forestille sig en klomaskine, som du ofte ser i videoarkader, bortset fra at man ikke kan se hvor meget legetøj der er inde i maskinen. Før du accepterer at spille, du har fået at vide, at der i gennemsnit er n legetøj indeni, men det nøjagtige antal ændres tilfældigt hver gang du spiller. Derefter, umiddelbart efter et vellykket greb med kloen, det gennemsnitlige antal legetøj går faktisk op til 2n, " beskriver Michael Vanner, Principal investigator for Quantum Measurement Lab ved Imperial College London.

Det er vigtigt at bemærke, at dette resultat bestemt ikke krænker energibesparelse og kommer på grund af statistikken over termiske fononer.

Holdets resultater, kombineret med deres nylige eksperiment, der rapporterede stærk kobling mellem lys og lyd i en mikroresonator, åbne en ny vej for kvantevidenskab og -teknologi med lydbølger.