Los físicos de Stanford han desarrollado un "micrófono cuántico" tan sensible que puede medir partículas individuales de sonido, llamadas fonones.
El dispositivo, que se detalla el 24 de julio en la revista Naturaleza , eventualmente podría conducir a computadoras cuánticas más pequeñas y eficientes que operen manipulando el sonido en lugar de la luz.
"Esperamos que este dispositivo permita nuevos tipos de sensores cuánticos, transductores y dispositivos de almacenamiento para futuras máquinas cuánticas", dijo el líder del estudio Amir Safavi-Naeini, profesor asistente de física aplicada en la Escuela de Humanidades y Ciencias de Stanford.
cantidad de movimiento
Propuesto por primera vez por Albert Einstein en 1907, los fonones son paquetes de energía vibratoria emitidos por átomos nerviosos. Estos paquetes indivisibles, o cuantos, de movimiento se manifiestan como sonido o calor, según sus frecuencias.
Al igual que los fotones, que son los portadores cuánticos de la luz, los fonones se cuantifican, lo que significa que sus energías vibratorias están restringidas a valores discretos, similar a cómo una escalera se compone de distintos escalones.
"El sonido tiene esta granularidad que normalmente no experimentamos", dijo Safavi-Naeini. "El sonido, a nivel cuántico, crepita".
La energía de un sistema mecánico se puede representar como diferentes estados de "Fock" 0, 1, 2, etc. según el número de fonones que genera. Por ejemplo, un "estado de 1 Fock" consta deun fonón de una energía particular, un "estado de 2 Fock" consta de dos fonones con la misma energía, y así sucesivamente. Los estados de fonones más altos corresponden a sonidos más fuertes.
Hasta ahora, los científicos no han podido medir los estados de fonones en estructuras diseñadas directamente porque las diferencias de energía entre los estados - en la analogía de la escalera, el espacio entre los escalones - es extremadamente pequeña. "Un fonón corresponde a una energía de diez billones de billonesveces menor que la energía requerida para mantener una bombilla encendida durante un segundo ", dijo el estudiante graduado Patricio Arrangoiz-Arriola, coautor principal del estudio.
Para abordar este problema, el equipo de Stanford diseñó el micrófono más sensible del mundo, uno que explota los principios cuánticos para escuchar a escondidas los susurros de los átomos.
En un micrófono ordinario, las ondas sonoras entrantes sacuden una membrana interna y este desplazamiento físico se convierte en un voltaje medible. Este enfoque no funciona para detectar fonones individuales porque, de acuerdo con el principio de incertidumbre de Heisenberg, la posición de un objeto cuántico puedeNo se conocerá con precisión sin cambiarlo.
"Si trataste de medir la cantidad de fonones con un micrófono normal, el acto de medir inyecta energía en el sistema que enmascara la energía que estás tratando de medir", dijo Safavi-Naeini.
En cambio, los físicos idearon una forma de medir los estados de Fock, y por lo tanto, el número de fonones, en ondas sonoras directamente. "La mecánica cuántica nos dice que la posición y el momento no se pueden conocer con precisión, pero dice que notal cosa acerca de la energía ", dijo Safavi-Naeini." La energía se puede conocer con precisión infinita ".
qubits cantando
El micrófono cuántico que desarrolló el grupo consiste en una serie de resonadores nanomecánicos superenfriados, tan pequeños que solo son visibles a través de un microscopio electrónico. Los resonadores están acoplados a un circuito superconductor que contiene pares de electrones que se mueven sin resistencia. El circuito se formaun bit cuántico, o qubit, que puede existir en dos estados a la vez y tiene una frecuencia natural, que se puede leer electrónicamente. Cuando los resonadores mecánicos vibran como un parche de tambor, generan fonones en diferentes estados.
"Los resonadores se forman a partir de estructuras periódicas que actúan como espejos para el sonido. Al introducir un defecto en estas celosías artificiales, podemos atrapar los fonones en el medio de las estructuras", dijo Arrangoiz-Arriola.
Como presos rebeldes, los fonones atrapados traquetean las paredes de sus prisiones, y estos movimientos mecánicos son transmitidos al qubit por cables ultradelgados. "La sensibilidad del qubit al desplazamiento es especialmente fuerte cuando las frecuencias del qubit y los resonadores soncasi lo mismo ", dijo el primer autor conjunto Alex Wollack, también estudiante de posgrado en Stanford.
Sin embargo, al desafinar el sistema para que el qubit y los resonadores vibren a frecuencias muy diferentes, los investigadores debilitaron esta conexión mecánica y desencadenaron un tipo de interacción cuántica, conocida como interacción dispersiva, que vincula directamente el qubit a los fonones.
Este enlace hace que la frecuencia del qubit cambie en proporción al número de fonones en los resonadores. Al medir los cambios de afinación del qubit, los investigadores pudieron determinar los niveles de energía cuantificados de los resonadores vibrantes, resolviendo efectivamente los fonones mismos.
"Los diferentes niveles de energía fonónica aparecen como picos distintos en el espectro de qubit", dijo Safavi-Naeini. "Estos picos corresponden a los estados de Fock de 0, 1, 2 y así sucesivamente. Estos picos múltiples nunca se habían visto antes".
Mecánica cuántica
Dominar la capacidad de generar y detectar fonones con precisión podría ayudar a allanar el camino para nuevos tipos de dispositivos cuánticos que pueden almacenar y recuperar información codificada como partículas de sonido o que pueden convertir sin problemas entre señales ópticas y mecánicas.
Estos dispositivos posiblemente podrían hacerse más compactos y eficientes que las máquinas cuánticas que usan fotones, ya que los fonones son más fáciles de manipular y tienen longitudes de onda miles de veces más pequeñas que las partículas de luz.
"En este momento, la gente está usando fotones para codificar estos estados. Queremos usar fonones, lo que trae consigo muchas ventajas", dijo Safavi-Naeini. "Nuestro dispositivo es un paso importante hacia la creación de una 'mecánica cuántica' ordenador."
Otros coautores de Stanford incluyen a los estudiantes graduados Zhaoyou Wang, Wentao Jiang, Timothy McKenna y Jeremy Witmer, y los investigadores posdoctorales Marek Pechal y Raphël Van Laer.
La investigación fue financiada por la Beca David y Lucile Packard, la Beca Terman de la Universidad de Stanford y la Oficina de Investigación Naval de EE. UU.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stanford - Facultad de Humanidades y Ciencias . Original escrito por Ker Than. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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