Физики создали квантовый микрофон

Физики разработали «квантовый микрофон», настолько чувствительный, что он может измерять отдельные частицы звука, называемые фононами.

Устройство, которое подробно описано в журнале Nature, может в конечном итоге привести к созданию меньших, более эффективных квантовых компьютеров, которые работают, манипулируя звуком, а не светом.

«Мы ожидаем, что это устройство позволит использовать новые типы квантовых датчиков, преобразователей и запоминающих устройств для будущих квантовых машин», — сказал руководитель исследования Амир Сафави-Наейни, доцент кафедры прикладной физики в Стэнфордской школе гуманитарных и естественных наук.

Квант движения

Впервые предложенные советским физиком Игорем Таммом в 1932 году, фононы представляют собой пакеты колебательной энергии, испускаемой колеблющимися атомами. Эти неделимые пакеты или кванты движения проявляются как звук или тепло, в зависимости от их частот.

Подобно фотонам, которые являются квантовыми носителями света, фононы квантованы, что означает, что их колебательные энергии ограничены дискретными значениями — подобно тому, как лестница состоит из отдельных ступеней. «Звук обладает такой гранулярностью, которую мы обычно не испытываем», — сказал Сафави-Наейни. «Звук на квантовом уровне потрескивает».

Энергия механической системы может быть представлена ​​в виде различных состояний «Фока» — 0, 1, 2 и т. д. — в зависимости от числа генерируемых ею фононов. Например, «состояние 1 Фока» состоит из одного фонона с определенной энергией, «состояние 2 Фока» состоит из двух фононов с одинаковой энергией и т. д. Более высокие фононные состояния соответствуют более громким звукам.

До сих пор ученые не могли непосредственно измерить фононные состояния, потому что энергетические различия между состояниями — по аналогии с лестницей, расстоянием между ступенями — ничтожно малы. «Один фонон соответствует энергии, которая в десять триллионов триллионов раз меньше энергии, необходимой для поддержания свечения лампочки в течение одной секунды», — говорит Патрисио Аррангойз-Арриола, соавтор исследования.

Чтобы решить эту проблему, команда из Стэнфорда разработала самый чувствительный в мире микрофон — тот, который использует квантовые принципы, чтобы подслушивать шепот атомов.

В обычном микрофоне входящие звуковые волны покачивают внутреннюю мембрану, и это физическое смещение преобразуется в измеряемое напряжение. Такой подход не работает для обнаружения отдельных фононов, потому что, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, положение квантового объекта не может быть точно известно без его изменения.

«Если вы попытаетесь измерить количество фононов с помощью обычного микрофона, то сам акт измерения добавляет энергию в систему, которая маскирует ту самую энергию, которую вы пытаетесь измерить», — сказал Сафави-Наейни.

Вместо этого физики разработали способ измерения состояний Фока — и, таким образом, количества фононов — непосредственно в звуковых волнах. «Квантовая механика говорит нам, что положение и импульс не могут быть точно известны, но ничего не говорится об энергии», — сказал Сафави-Наейни. «Энергия может быть известна с бесконечной точностью».

Поющие кубиты

Квантовый микрофон, разработанный группой физиков, состоит из серии переохлажденных наномеханических резонаторов, настолько малых, что они видны только через электронный микроскоп. Резонаторы соединены со сверхпроводящей цепью, которая содержит электронные пары, которые движутся без сопротивления. Схема формирует квантовый бит или кубит, который может существовать в двух состояниях одновременно и имеет собственную частоту, которая может быть считана электронным способом. Когда механические резонаторы вибрируют, они генерируют фононы в разных состояниях.

«Резонаторы формируются из периодических структур, которые действуют как зеркала для звука. Вводя дефект в эти искусственные решетки, мы можем улавливать фононы в середине структур», — сказал Аррангойз-Арриола.

Механические движения фононов передаются на кубит с помощью ультратонких проводов. «Чувствительность кубита к смещению особенно сильна, когда частоты кубита и резонаторов почти одинаковы».

Однако, отрегулировав систему так, что кубит и резонаторы вибрируют на очень разных частотах, исследователи ослабили эту механическую связь и запустили тип квантового взаимодействия, известного как дисперсионное взаимодействие, которое напрямую связывает кубит с фононами.

Эта связь вызывает сдвиг частоты кубита пропорционально числу фононов в резонаторах. Измеряя изменения мелодии кубита, исследователи могли определить квантованные энергетические уровни вибрирующих резонаторов, эффективно обнаруживая сами фононы.

«Различные уровни энергии фононов проявляются в виде четких пиков в спектре кубитов», — сказал Сафави-Наейни. «Эти пики соответствуют состояниям Фока 0, 1, 2 и т. д. Эти множественные пики никогда не были замечены раньше».

Овладение способностью точно генерировать и обнаруживать фононы может помочь проложить путь для новых видов квантовых устройств, которые способны хранить и извлекать информацию, закодированную в виде звуковых частиц, или которые могут беспрепятственно преобразовывать оптические и механические сигналы.

Такие устройства, очевидно, можно сделать более компактными и эффективными, чем квантовые машины, использующие фотоны, поскольку фононами легче манипулировать, а их длины волн в тысячи раз меньше, чем у частиц света.

«Прямо сейчас люди используют фотоны для кодирования этих состояний. Мы хотим использовать фононы, что дает много преимуществ», — сказал Сафави-Наейни. «Наше устройство является важным шагом на пути к созданию квантово-механического компьютера».

Patricio Arrangoiz-Arriola et al. Resolving the energy levels of a nanomechanical oscillator, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1386-x