Фізики розробили «квантовий мікрофон», настільки чутливий, що він може вимірювати окремі частинки звуку, звані фононами.
Пристрій, який докладно описано в журналі Nature, може зрештою призвести до створення менших, більш ефективних квантових комп'ютерів, які працюють, маніпулюючи звуком, а не світлом.
«Ми очікуємо, що цей пристрій дозволить використовувати нові типи квантових датчиків, перетворювачів і запам'ятовувальних пристроїв для майбутніх квантових машин», - сказав керівник дослідження Амір Сафаві-Наейні, доцент кафедри прикладної фізики в Стенфордській школі гуманітарних і природничих наук.
Квант руху
Вперше запропоновані радянським фізиком Ігорем Таммом в 1932 році, фонони являють собою пакети коливальної енергії, що випускається коливаються атомами. Ці неподільні пакети або кванти руху проявляються як звук або тепло, залежно від їх частот.
Подібно до фотонів, які є квантовими носіями світла, фонони квантовані, що означає, що їх коливальні енергії обмежені дискретними значеннями - подібно до того, як сходи складаються з окремих сходів. «Звук володіє такою гранулярністю, яку ми зазвичай не відчуваємо», - сказав Сафаві-Наейні. «Звук на квантовому рівні потріскує».
Енергія механічної системи може бути представлена у вигляді різних станів «Фока» - 0, 1, 2 і т. д. - залежно від числа фононів, що генеруються нею. Наприклад, «стан 1 Фока» складається з одного фонона з певною енергією, «стан 2 Фока» складається з двох фононів з однаковою енергією тощо. Більш високі фононні стани відповідають більш гучним звукам.
Досі вчені не могли безпосередньо виміряти фононні стани, тому що енергетичні відмінності між станами - за аналогією зі сходами, відстанню між сходами - мізерно малі. «Один фонон відповідає енергії, яка в десять трильйонів трильйонів разів менше енергії, необхідної для підтримки світіння лампочки протягом однієї секунди», - говорить Патрісіо Аррангойз-Арріола, співавтор дослідження.
Щоб вирішити цю проблему, команда зі Стенфорда розробила найбільш чутливий у світі мікрофон - той, який використовує квантові принципи, щоб підслуховувати шепіт атомів.
У звичайному мікрофоні звукові хвилі похитують внутрішню мембрану, і це фізичне зміщення перетворюється на вимірювану напругу. Такий підхід не працює для виявлення окремих фононів, тому що, згідно з принципом невизначеності Гейзенберга, положення квантового об'єкта не може бути точно відомо без його зміни.
«Якщо ви спробуєте виміряти кількість фононів за допомогою звичайного мікрофона, то сам акт вимірювання додає енергію в систему, яка маскує ту саму енергію, яку ви намагаєтеся виміряти», - сказав Сафаві-Наейні.
Замість цього фізики розробили спосіб вимірювання станів Фока - і, таким чином, кількості фононів - безпосередньо в звукових хвилях. «Квантова механіка говорить нам, що положення та імпульс не можуть бути точно відомі, але нічого не говориться про енергію», - сказав Сафаві-Наейні. «Енергія може бути відома з нескінченною точністю».
Кубити, що співають
Квантовий мікрофон, розроблений групою фізиків, складається із серії переохолоджених наномеханічних резонаторів, настільки малих, що вони видні тільки через електронний мікроскоп. Резонатори з'єднані з надпровідним ланцюгом, який містить електронні пари, які рухаються без опору. Схема формує квантовий біт або кубіт, який може існувати в двох станах одночасно і має власну частоту, яка може бути вважана електронним способом. Коли механічні резонатори вібрують, вони генерують фонони в різних станах.
"Резонатори формуються з періодичних структур, які діють як дзеркала для звуку. Вводячи дефект в ці штучні решітки, ми можемо вловлювати фонони в середині структур ", - сказав Аррангойз-Арріола.
Механічні рухи фононів передаються на кубіт за допомогою ультратонких проводів. «Чутливість кубіта до зміщення особливо сильна, коли частоти кубіту і резонаторів майже однакові».
Однак, відрегулювавши систему так, що кубіт і резонатори вібрують на дуже різних частотах, дослідники послабили цей механічний зв'язок і запустили тип квантової взаємодії, відомого як дисперсійна взаємодія, яка безпосередньо пов'язує кубіт з фононами.
Цей зв'язок викликає зсув частоти кубіту пропорційно до числа фононів у резонаторах. Вимірюючи зміни мелодії кубіту, дослідники могли визначити квантовані енергетичні рівні вібруючих резонаторів, ефективно виявляючи самі фонони.
«Різні рівні енергії фононів проявляються у вигляді чітких піків у спектрі кубітів», - сказав Сафаві-Наейні. "Ці піки відповідають станам Фока 0, 1, 2 і т. д. Ці множинні піки ніколи не були помічені раніше ".
Оволодіння здатністю точно генерувати і виявляти фонони може допомогти прокласти шлях для нових видів квантових пристроїв, які здатні зберігати і витягувати інформацію, закодовану у вигляді звукових частинок, або які можуть безперешкодно перетворювати оптичні і механічні сигнали.
Такі пристрої, очевидно, можна зробити більш компактними і ефективними, ніж квантові машини, що використовують фотони, оскільки фононами легше маніпулювати, а їх довжини хвиль в тисячі разів менше, ніж у частинок світла.
"Прямо зараз люди використовують фотони для кодування цих станів. Ми хочемо використовувати фонони, що дає багато переваг ", - сказав Сафаві-Наейні. «Наш пристрій є важливим кроком на шляху до створення квантово-механічного комп'ютера».
