Квантовые звуковые волны открывают двери для новых возможностей

В течение последнего десятилетия ученые сделали большой прорыв в способности создавать и управлять системами, основанными на причудливых правилах квантовой механики, которые описывают поведение частиц в субатомном масштабе.

Но проблема заключается в том, чтобы квантовые системы совместить с  механическими — то есть системами с движущимися частями, которые лежат в основе многих существующих технологий.

Ученые из Института молекулярной инженерии в Чикагском университете и Аргоннской национальной лаборатории построили механическую систему — крошечную «эхо-камеру» для звуковых волн, которую можно контролировать на квантовом уровне, подключая ее к квантовой схеме. Опубликованое 21 ноября в издании Nature, исследование может расширить сферу применения квантовой технологии до новых квантовых датчиков, связи и памяти.

«Привлечение этих двух технологий для общения друг с другом является ключевым первым шагом для всех видов квантовых приложений», — сказал ведущий автор исследования Эндрю Клеланд. «При таком подходе мы достигли квантового контроля над механической системой на уровне, значительно превышающем то, что было сделано раньше».

В частности, сказал Клеланд, большое внимание уделено интеграции квантовых и механических систем, чтобы создавать невероятно точные квантовые датчики, которые могли бы обнаружить мельчайшие вибрации или взаимодействовать с отдельными атомами.

«Многие методы обнаружения основаны на чувственной силе и смещениях, что означает движение», — сказал он. «Эти датчики играют фундаментальную роль в любом типе приложений, где вы пытаетесь что-то измерить. Механические системы являются самыми простыми в построении и наиболее чувствительными, поэтому уже давно существует интерес в доведении их до квантового предела. (Механические датчики, например, лежат в основе систем, которые обнаруживают гравитационные волны — рябь в ткани пространства-времени, которая позволяла нам «видеть» черные дыры, сталкивающиеся во вселенной.)

Исследования ученых были сосредоточены на квантовых электрических схемах, и они хотели подключить одну из этих схем к устройству, которое генерирует поверхностные акустические волны — крошечные звуковые волны, которые движутся по поверхности блока твердого материала, например рябь, движущаяся по поверхности пруда. Это явление играет ключевую роль в повседневных устройствах, таких как сотовые телефоны или радиоприемники.

Ключевым прорывом было создание двух систем отдельно, на разных материалах, а затем их объединение. Это позволило команде исследователей оптимизировать каждый компонент и все же общаться друг с другом. Но системы должны быть очень холодными — всего на десять тысячных градуса выше температуры абсолютного нуля.

«Этот конкретный результат открывает нам дверь, чтобы иметь возможность делать много вещей со звуком, которые мы уже можем делать со светом», — сказал Клеланд. «Звук движется в 100 000 раз медленнее света, что дает нам больше времени. Например, если вы храните квантовую информацию в памяти, она может длиться намного дольше в звуке, чем в свете.»

По его словам, существует ряд фундаментальных вопросов без ответа о том, как звуковые волны ведут себя в квантовой области, и новая система может дать ученым платформу для их решения.

Новый метод также может указать путь к квантовому «транслятору», который позволит квантовую связь на любом расстоянии. Атомы, с которыми работает Клеланд, могут действовать и общаться только при очень низких температурах; квантовая акустика может позволить этим схемам преобразовывать квантовую информацию в оптические сигналы, которые затем могут передаваться на большие расстояния при комнатной температуре.

K. J. Satzinger et al. Quantum control of surface acoustic-wave phonons, Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0719-5