In een recente studie, onderzoekers van de Universiteit van Colorado hebben fonon Fock-toestanden opgelost in het spectrum van een supergeleidende qubit gekoppeld aan een multimode akoestische holte. Fock-toestanden (of getalstoestanden) zijn kwantumtoestanden met een duidelijk gedefinieerd aantal deeltjes. Deze toestanden spelen een cruciale rol in de tweede kwantisatieformulering van de kwantummechanica.

In hun krant gepubliceerd in Fysieke beoordeling X , de onderzoekers schetsen hoe ze een qubit hebben gekoppeld aan akoestische oppervlaktegolven en met succes een scherpe frequentie-afhankelijkheid hebben ontwikkeld in de qubit-fonon-interactie. De interferentie die het gevolg is van dit proces genereerde een hoog contrast frequentiestructuur in de qubit-fonon interactie.

"Geïnspireerd door het succesvolle gebruik van qubits om kwantumtoestanden van licht te beheersen, we wilden onderzoeken wat we kunnen bereiken door qubits te koppelen aan geluid, "Lucas Sletten, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "We vroegen ons af:is het mogelijk om dat geluid op te lossen in een solide is, in feite, gekwantificeerd? Kan geluid worden gebruikt om kwantuminformatie op te slaan en te verwerken? Kunnen deze deeltjesachtige quanta van geluid, fononen genoemd, worden geteld zonder ze te vernietigen? Als, zou je deze truc met meer dan één modus tegelijk kunnen spelen? En meer in het algemeen, wat is er mogelijk met geluid dat niet kan met licht?"

Sletten en zijn collega's gebruikten een apparaat dat bestond uit een supergeleidende qubit die sterk interageert met fononen die vastzitten in een akoestische holte. Het apparaat werd in een microgolfresonator geplaatst die dient als een gevoelige sonde van de qubit. Hierdoor konden de onderzoekers de qubit meten en controleren, terwijl ze de interactie met fononen observeren.

"De fononen leven in een akoestische resonator die functioneert als een muziekinstrument, maar bij frequenties 20 octaven boven de hoogste noot op een piano, " zei Sletten. "Net als een instrument, er zijn verschillende noten, of modi, die in onze resonator kunnen leven. De elektrische analoog van zo'n multimode resonator zou vele meters lang zijn en een nachtmerrie om op een chip te implementeren."

Een modus binnen de resonator komt overeen met een geheel aantal rimpelingen die precies in de doos passen, of holte, die de geluidsgolven beperkt. Om de beweging van de ingesloten fononen te voelen, Sletten en zijn collega's verbonden de qubit met de akoestische resonator met behulp van een transducer die beweging omzet in elektrische stroom. Wanneer geluid wordt opgewekt in hun resonator, daarom, de qubit ziet een stroom die zijn energie verandert.

"We hebben een systeem ontwikkeld dat zo gevoelig is dat zelfs het stilste geluid dat door de kwantummechanica is toegestaan, een deeltje-achtige enkele fonon, verschuift de energie van onze qubit genoeg om op te merken, " zei Sletten. "Bovendien, deze detectie vernietigt de fononen die we meten niet. We kunnen fononen niet alleen voor één modus van de holte tellen, maar voor meerdere, wat aantoont dat we volledig kunnen profiteren van onze multi-mode holte."

De bevindingen verzameld door Sletten en zijn collega's laten zien dat supergeleidende qubits sterk genoeg kunnen interageren met geluidsgolven om de kwantumaard van geluid te onthullen, zonder dat er een directe uitwisseling van energie plaatsvindt. Door gevoeligheden te bereiken die hoog genoeg zijn om een ​​geluidsgolf in gekwantiseerde delen te breken, de onderzoekers zijn een stap dichter bij het bereiken van uitstekende kwantumcontrole van akoestische systemen gekomen.

"Een ander inzicht uit ons werk is dat de traagheid van geluid een waardevolle hulpbron kan zijn bij het ontwerpen van kwantumsystemen, "Zei Sletten. "De lange tijd die een fonon nodig heeft om heen en weer te stuiteren tussen de spiegels, zorgt ervoor dat de holte meerdere modi ondersteunt. Aanvullend, we maken gebruik van een lange vertraging die in het midden van onze transducer is ingevoegd om precies te bepalen hoe de qubit in wisselwerking staat met elke modus, een cruciaal vermogen bij het tellen van fononen in een holte met meerdere modi."

In de toekomst, het onderzoek van Sletten en zijn collega's zou de weg kunnen effenen voor de ontwikkeling van effectieve technieken om akoestische kwantumtoestanden te beheersen. In de tussentijd, de onderzoekers zijn van plan om het gebruik van fononen in de kwantumwetenschap voort te zetten.

Bijvoorbeeld, ze willen onderzoeken of het mogelijk is om verschillende fononmodi ('notes') te verstrengelen op basis van hun gedeelde interactie met een qubit. Indien experimenteel bevestigd, dit zou het enorme potentieel van fononen voor kwantuminformatieverwerkingstoepassingen bewijzen.

"Akoestische systemen zijn ook een veelbelovende interface tussen verschillende kwantumplatforms, zoals supergeleidende qubits, kwantum stippen, en optische fotonen, en kan ook krachtige hulpmiddelen blijken te zijn voor het onderzoeken van de soorten oppervlaktefysica die sommige geavanceerde kwantumtechnologieën mogelijk beperken, ' voegde Sletten eraan toe.

© 2019 Wetenschap X Netwerk