Onderzoekers voeren experimenten uit die een enkel kwantum geluid kunnen optellen of aftrekken - met verrassende resultaten wanneer toegepast op lawaaierige geluidsvelden.

De kwantummechanica vertelt ons dat fysieke objecten zowel golf- als deeltjeseigenschappen kunnen hebben. Bijvoorbeeld, een enkel deeltje - of kwantum - van licht staat bekend als een foton, en, op een vergelijkbare manier, een enkel kwantum van geluid staat bekend als een fonon, die kan worden gezien als de kleinste eenheid van geluidsenergie.

Een team van onderzoekers verspreid over Imperial College London, Universiteit van Oxford, het Niels Bohr Instituut, Universiteit van Bath, en de Australian National University hebben een experiment uitgevoerd dat een enkele fonon kan optellen of aftrekken van een hoogfrequent geluidsveld met behulp van interactie met laserlicht.

De bevindingen van het team helpen de ontwikkeling van toekomstige kwantumtechnologieën, zoals hardwarecomponenten in een toekomstig 'quantum internet', en helpen de weg vrijmaken voor tests van de kwantummechanica op een meer macroscopische schaal. De details van hun onderzoek worden vandaag gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven.

Om één kwantum geluid op te tellen of af te trekken, het team implementeerde experimenteel een techniek die in 2013 werd voorgesteld en die gebruikmaakt van correlaties tussen fotonen en fononen die in een resonator zijn gemaakt. Specifieker, laserlicht wordt geïnjecteerd in een kristallijne microresonator die zowel het licht als de hoogfrequente geluidsgolven ondersteunt.

De twee soorten golven koppelen vervolgens aan elkaar via een elektromagnetische interactie die licht op een nieuwe frequentie creëert. Vervolgens, om een ​​enkele fonon af te trekken, het team detecteert een enkel foton dat in frequentie is opgeschoven. "Het detecteren van een enkel foton geeft ons een event-ready signaal dat we een enkel fonon hebben afgetrokken, ", zegt hoofdauteur van het project Georg Enzian.

Wanneer het experiment wordt uitgevoerd bij een eindige temperatuur, het geluidsveld vertoont willekeurige fluctuaties door thermische ruis. Dus, op elk moment, het exacte aantal aanwezige klankkwanta is onbekend, maar gemiddeld zullen er aanvankelijk n fononen zijn.

Wat gebeurt er nu als je een enkele fonon optelt of aftrekt? Op het eerste gezicht, je zou verwachten dat dit het gemiddelde eenvoudig zou veranderen in n + 1 of n - 1, respectievelijk, maar de werkelijke uitkomst tart deze intuïtie. Inderdaad, nogal contra-intuïtief, als je een enkele fonon aftrekt, het gemiddelde aantal fononen loopt zelfs op tot 2n.

Dit verrassende resultaat waarbij het gemiddelde aantal quanta verdubbelt is waargenomen voor volledig optische foton-subtractie-experimenten en wordt hier voor het eerst buiten de optica waargenomen. "Een manier om aan het experiment te denken, is door je een klauwmachine voor te stellen die je vaak ziet in speelhallen, behalve dat je niet kunt zien hoeveel speelgoed er in de machine zit. Voordat je akkoord gaat met spelen, er is je verteld dat er gemiddeld n speelgoed in zit, maar het exacte aantal verandert willekeurig elke keer dat je speelt. Vervolgens, onmiddellijk na een succesvolle greep met de klauw, het gemiddelde aantal speelgoed loopt zelfs op tot 2n, " beschrijft Michael Vanner, Hoofdonderzoeker van het Quantum Measurement Lab aan het Imperial College London.

Het is belangrijk op te merken dat dit resultaat zeker niet in strijd is met energiebesparing en tot stand komt door de statistieken van thermische fononen.

De resultaten van het team, gecombineerd met hun recente experiment dat een sterke koppeling tussen licht en geluid in een microresonator rapporteerde, een nieuwe weg openen voor kwantumwetenschap en technologie met geluidsgolven.