Forskare utför experiment som kan lägga till eller subtrahera ett enda ljudkvantum – med överraskande resultat när de appliceras på bullriga ljudfält.

Kvantmekaniken säger oss att fysiska objekt kan ha både våg- och partikelegenskaper. Till exempel, en enda partikel – eller kvantum – av ljus är känd som en foton, och, på liknande sätt, ett enda ljudkvantum är känt som en fonon, som kan ses som den minsta enheten av ljudenergi.

Ett team av forskare som spänner över Imperial College London, Oxfords universitet, Niels Bohr Institutet, University of Bath, och Australian National University har utfört ett experiment som kan lägga till eller subtrahera en enda fonon till ett högfrekvent ljudfält med hjälp av interaktioner med laserljus.

Teamets resultat hjälper utvecklingen av framtida kvantteknologier, såsom hårdvarukomponenter i ett framtida "kvantinternet", och hjälpa till att bana väg för tester av kvantmekanik i en mer makroskopisk skala. Detaljerna om deras forskning publiceras idag i den prestigefyllda tidskriften Fysiska granskningsbrev.

För att lägga till eller subtrahera ett enda ljudkvantum, teamet implementerar experimentellt en teknik som föreslogs 2013 som utnyttjar korrelationer mellan fotoner och fononer skapade inuti en resonator. Mer specifikt, laserljus injiceras i en kristallin mikroresonator som stödjer både ljuset och de högfrekventa ljudvågorna.

De två typerna av vågor kopplas sedan till varandra via en elektromagnetisk interaktion som skapar ljus med en ny frekvens. Sedan, att subtrahera en enda fonon, teamet upptäcker en enda foton som har skiftats upp i frekvens. "Att detektera en enskild foton ger oss en händelseklar signal om att vi har subtraherat en enda fonon, säger huvudförfattaren till projektet Georg Enzian.

När experimentet utförs vid en ändlig temperatur, ljudfältet har slumpmässiga fluktuationer från termiskt brus. Således, när som helst, det exakta antalet ljudkvanta som finns närvarande är okänt men i genomsnitt kommer det att finnas n fononer initialt.

Vad händer nu när du lägger till eller subtraherar en enda fonon? Vid första tanken, du kan förvänta dig att detta helt enkelt skulle ändra genomsnittet till n + 1 eller n - 1, respektive, men det faktiska resultatet trotsar denna intuition. Verkligen, ganska kontraintuitivt, när du subtraherar en enda fonon, det genomsnittliga antalet fononer går faktiskt upp till 2n.

Detta överraskande resultat där det genomsnittliga antalet kvanta-dubblar har observerats för helt optiska fotonsubtraktionsexperiment och observeras för första gången utanför optiken här. "Ett sätt att tänka på experimentet är att föreställa sig en klomaskin som du ofta ser i videospelhallar, förutom att man inte kan se hur många leksaker det finns inne i maskinen. Innan du går med på att spela, du har fått höra att det i genomsnitt finns n leksaker inuti men det exakta antalet ändras slumpmässigt varje gång du spelar. Sedan, omedelbart efter ett lyckat grepp med klon, det genomsnittliga antalet leksaker går faktiskt upp till 2n, " beskriver Michael Vanner, Huvudutredare för Quantum Measurement Lab vid Imperial College London.

Det är viktigt att notera att detta resultat verkligen inte bryter mot energibesparing och kommer till på grund av statistiken för termiska fononer.

Teamets resultat, kombinerat med deras senaste experiment som rapporterade stark koppling mellan ljus och ljud i en mikroresonator, öppna en ny väg för kvantvetenskap och teknik med ljudvågor.