Natuurkundigen van Stanford hebben een "kwantummicrofoon" ontwikkeld die zo gevoelig is dat hij individuele geluidsdeeltjes kan meten, fononen genoemd.

Het apparaat, die op 24 juli in het journaal wordt vermeld Natuur , kan uiteindelijk leiden tot kleinere, efficiëntere kwantumcomputers die werken door geluid te manipuleren in plaats van licht.

"We verwachten dat dit apparaat nieuwe soorten kwantumsensoren mogelijk maakt, transducers en opslagapparaten voor toekomstige kwantummachines, " zei studieleider Amir Safavi-Naeini, een assistent-professor toegepaste natuurkunde aan de Stanford's School of Humanities and Sciences.

Kwantum van beweging

Voor het eerst voorgesteld door Albert Einstein in 1907, fononen zijn pakketjes van trillingsenergie die worden uitgezonden door zenuwachtige atomen. Deze ondeelbare pakketten, of quanta, van beweging die zich manifesteert als geluid of warmte, afhankelijk van hun frequenties.

zoals fotonen, die de kwantumdragers van licht zijn, fononen worden gekwantiseerd, wat betekent dat hun vibratie-energieën beperkt zijn tot discrete waarden - vergelijkbaar met hoe een trap is samengesteld uit verschillende treden.

"Geluid heeft een granulariteit die we normaal niet ervaren, " zei Safavi-Naeini. "Geluid, op kwantumniveau, knettert."

De energie van een mechanisch systeem kan worden weergegeven als verschillende "Fock"-toestanden:0, 1, 2, enzovoort - op basis van het aantal fononen dat het genereert. Bijvoorbeeld, een "1 Fock-toestand" bestaat uit één fonon van een bepaalde energie, een "2 Fock-toestand" bestaat uit twee fononen met dezelfde energie, enzovoort. Hogere fonontoestanden komen overeen met luidere geluiden.

Tot nu, wetenschappers zijn niet in staat geweest om fonontoestanden in geconstrueerde structuren rechtstreeks te meten, omdat de energieverschillen tussen toestanden - in de trappen-analogie, de afstand tussen stappen - is verdwijnend klein. "Eén fonon komt overeen met een energie die tien biljoen biljoen keer kleiner is dan de energie die nodig is om een ​​gloeilamp één seconde aan te houden, " zei afgestudeerde student Patricio Arrangoiz-Arriola, een co-eerste auteur van de studie.

Om dit probleem aan te pakken, het Stanford-team ontwikkelde 's werelds meest gevoelige microfoon - een die kwantumprincipes gebruikt om het gefluister van atomen af ​​te luisteren.

In een gewone microfoon, inkomende geluidsgolven schudden een inwendig membraan, en deze fysieke verplaatsing wordt omgezet in een meetbare spanning. Deze aanpak werkt niet voor het detecteren van individuele fononen omdat, volgens het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, de positie van een kwantumobject kan niet precies bekend zijn zonder deze te veranderen.

"Als je het aantal fononen probeerde te meten met een gewone microfoon, de handeling van het meten injecteert energie in het systeem die de energie maskeert die je probeert te meten, ' zei Safavi-Naeini.

In plaats daarvan, de natuurkundigen bedachten een manier om Fock-toestanden te meten - en dus, het aantal fononen - rechtstreeks in geluidsgolven. "De kwantummechanica vertelt ons dat positie en momentum niet precies kunnen worden bepaald, maar het zegt niet zoiets over energie, "Zei Safavi-Naeini. "Energie kan met oneindige precisie worden gekend."

Zingende qubits

De door de groep ontwikkelde kwantummicrofoon bestaat uit een reeks onderkoelde nanomechanische resonatoren, zo klein dat ze alleen zichtbaar zijn door een elektronenmicroscoop. De resonatoren zijn gekoppeld aan een supergeleidende schakeling die elektronenparen bevat die zonder weerstand bewegen. De schakeling vormt een kwantumbit, of qubit, die in twee toestanden tegelijk kan bestaan ​​en een natuurlijke frequentie heeft, die elektronisch kan worden gelezen. Wanneer de mechanische resonatoren trillen als een trommelvel, ze genereren fononen in verschillende toestanden.

"De resonatoren worden gevormd uit periodieke structuren die fungeren als spiegels voor geluid. Door een defect in deze kunstmatige roosters aan te brengen, we kunnen de fononen in het midden van de structuren vangen, ' zei Arrangoiz-Arriola.

Als onhandelbare gevangenen, de opgesloten fononen rammelen aan de muren van hun gevangenissen, en deze mechanische bewegingen worden door ultradunne draden naar de qubit overgebracht. "De gevoeligheid van de qubit voor verplaatsing is vooral sterk wanneer de frequenties van de qubit en de resonatoren bijna hetzelfde zijn, " zei gezamenlijke eerste auteur Alex Wollack, ook een afgestudeerde student aan Stanford.

Echter, door het systeem te ontstemmen zodat de qubit en de resonatoren op zeer verschillende frequenties trillen, de onderzoekers verzwakten deze mechanische verbinding en veroorzaakten een soort kwantuminteractie, bekend als een dispersieve interactie, die de qubit rechtstreeks met de fononen verbindt.

Door deze binding verschuift de frequentie van de qubit evenredig met het aantal fononen in de resonatoren. Door de afstemveranderingen van de qubit te meten, de onderzoekers konden de gekwantiseerde energieniveaus van de trillende resonatoren bepalen - waardoor de fononen zelf effectief werden opgelost.

"Verschillende fonon-energieniveaus verschijnen als afzonderlijke pieken in het qubit-spectrum, " zei Safavi-Naeini. "Deze pieken komen overeen met Fock-toestanden van 0, 1, 2 enzovoort. Deze meerdere pieken waren nog nooit eerder gezien."

Mechanische kwantummechanische

Het beheersen van het vermogen om nauwkeurig fononen te genereren en te detecteren, zou de weg kunnen banen voor nieuwe soorten kwantumapparaten die informatie kunnen opslaan en ophalen die is gecodeerd als geluidsdeeltjes of die naadloos kunnen converteren tussen optische en mechanische signalen.

Het is denkbaar dat dergelijke apparaten compacter en efficiënter kunnen worden gemaakt dan kwantummachines die fotonen gebruiken, omdat fononen gemakkelijker te manipuleren zijn en golflengten hebben die duizenden keren kleiner zijn dan lichtdeeltjes.

"Direct, mensen gebruiken fotonen om deze toestanden te coderen. We willen fononen gebruiken, wat veel voordelen met zich meebrengt, "Safavi-Naeini zei. "Ons apparaat is een belangrijke stap in de richting van het maken van een 'mechanische kwantummechanische' computer."