Stanford -fysiker har utvecklat en "kvantmikrofon" så känslig att den kan mäta enskilda ljudpartiklar, kallas fononer.

Enheten, som är detaljerad 24 juli i tidningen Natur , kan så småningom leda till mindre, mer effektiva kvantdatorer som fungerar genom att manipulera ljud snarare än ljus.

"Vi förväntar oss att den här enheten kommer att tillåta nya typer av kvantsensorer, givare och lagringsenheter för framtida kvantmaskiner, "sade studieledaren Amir Safavi-Naeini, en biträdande professor i tillämpad fysik vid Stanford School of Humanities and Sciences.

Rörelsekvantitet

Föreslogs första gången av Albert Einstein 1907, fononer är paket med vibrationsenergi som avges av skakiga atomer. Dessa odelbara paket, eller quanta, rörelse manifesteras som ljud eller värme, beroende på deras frekvenser.

Som fotoner, som är ljusets kvantbärare, fononer kvantiseras, vilket betyder att deras vibrationsenergier är begränsade till diskreta värden - ungefär som hur en trappa består av distinkta steg.

"Ljud har denna granularitet som vi normalt inte upplever, "Sa Safavi-Naeini." Ljud, på kvantnivå, sprakar. "

Energin i ett mekaniskt system kan representeras som olika "Fock" -tillstånd - 0, 1, 2, och så vidare - baserat på antalet fononer som det genererar. Till exempel, ett "1 Fock -tillstånd" består av en fonon av en viss energi, ett "2 Fock -tillstånd" består av två fononer med samma energi, och så vidare. Högre fonontillstånd motsvarar högre ljud.

Tills nu, forskare har inte kunnat mäta fonontillstånd i konstruerade strukturer direkt eftersom energiskillnaderna mellan tillstånd - i trappanalogin, avståndet mellan stegen - är försvinnande litet. "En fonon motsvarar en energi tio biljoner biljoner gånger mindre än den energi som krävs för att hålla en glödlampa påslagen i en sekund, "sade doktoranden Patricio Arrangoiz-Arriola, en av författarna till studien.

För att lösa detta problem, Stanford -teamet konstruerade världens känsligaste mikrofon - en som utnyttjar kvantprinciper för att avlyssna atomernas viskningar.

I en vanlig mikrofon, inkommande ljudvågor jigglar ett inre membran, och denna fysiska förskjutning omvandlas till en mätbar spänning. Detta tillvägagångssätt fungerar inte för att upptäcka enskilda fononer eftersom, enligt Heisenbergs osäkerhetsprincip, ett kvanteobjekts position kan inte vara exakt känd utan att ändra den.

"Om du försökte mäta antalet fononer med en vanlig mikrofon, mätningen injicerar energi i systemet som döljer just den energi som du försöker mäta, "Sa Safavi-Naeini.

Istället, fysikerna tänkte ut ett sätt att mäta Fock -tillstånd - och därmed, antalet fononer - i ljudvågor direkt. "Kvantmekanik berättar för oss att position och momentum inte kan kännas exakt - men det säger inget om energi, "Sa Safavi-Naeini." Energi kan kännas med oändlig precision. "

Sjungande qubits

Kvantmikrofonen som gruppen utvecklade består av en serie överkylda nanomekaniska resonatorer, så små att de bara syns genom ett elektronmikroskop. Resonatorerna är kopplade till en supraledande krets som innehåller elektronpar som rör sig utan motstånd. Kretsen bildar en kvantbit, eller qubit, som kan existera i två tillstånd samtidigt och har en naturlig frekvens, som kan läsas elektroniskt. När de mekaniska resonatorerna vibrerar som ett trumhuvud, de genererar fononer i olika tillstånd.

"Resonatorerna bildas av periodiska strukturer som fungerar som speglar för ljud. Genom att införa en defekt i dessa konstgjorda galler, vi kan fånga fononerna mitt i strukturerna, "Sa Arrangoiz-Arriola.

Som ostyriga fångar, de instängda fononerna skramlar på väggarna i deras fängelser, och dessa mekaniska rörelser förmedlas till qubit med ultratunna trådar. "Kubbitens känslighet för förskjutning är särskilt stark när frekvenserna för qubiten och resonatorerna är nästan desamma, "sa den förste författaren Alex Wollack, också en doktorand på Stanford.

Dock, genom att avstämma systemet så att qubit och resonatorer vibrerar vid mycket olika frekvenser, forskarna försvagade denna mekaniska koppling och utlöste en typ av kvantinteraktion, känd som en dispersiv interaktion, som direkt länkar qubit till fononerna.

Denna bindning får qubits frekvens att skifta i proportion till antalet fononer i resonatorerna. Genom att mäta qubitens förändringar i melodi, forskarna kunde bestämma de kvantiserade energinivåerna hos de vibrerande resonatorerna - effektivt lösa fononerna själva.

"Olika fononenerginivåer framstår som distinkta toppar i qubit -spektrumet, "Sa Safavi-Naeini." Dessa toppar motsvarar Fock-tillstånd på 0, 1, 2 och så vidare. Dessa flera toppar hade aldrig setts förut. "

Mekanisk kvantmekanisk

Att behärska förmågan att exakt generera och upptäcka fononer kan hjälpa till att bana väg för nya typer av kvantenheter som kan lagra och hämta information som kodas som ljudpartiklar eller som kan konvertera sömlöst mellan optiska och mekaniska signaler.

Sådana anordningar kan tänkas göras mer kompakta och effektiva än kvantmaskiner som använder fotoner, eftersom fononer är lättare att manipulera och har våglängder som är tusentals gånger mindre än ljuspartiklar.

"Just nu, människor använder fotoner för att koda dessa tillstånd. Vi vill använda fononer, vilket medför många fördelar, "Sa Safavi-Naeini." Vår enhet är ett viktigt steg mot att göra en "mekanisk kvantmekanisk" dator. "