In un recente studio, i ricercatori dell'Università del Colorado hanno risolto gli stati fononi di Fock nello spettro di un qubit superconduttore accoppiato a una cavità acustica multimodale. Gli stati fock (o stati numerici) sono stati quantistici con un numero di particelle chiaramente definito. Questi stati giocano un ruolo cruciale nella seconda formulazione di quantizzazione della meccanica quantistica.

Nella loro carta, pubblicato in Revisione fisica X , i ricercatori descrivono come hanno accoppiato un qubit alle onde acustiche di superficie e hanno progettato con successo una forte dipendenza dalla frequenza nell'interazione qubit-fonone. L'interferenza risultante da questo processo ha generato una struttura di frequenza ad alto contrasto nell'interazione qubit-fonone.

"Ispirato dall'uso riuscito dei qubit per controllare gli stati quantistici della luce, volevamo esplorare cosa possiamo ottenere accoppiando i qubit al suono, " Lucas Sletten, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Ci siamo chiesti:è possibile risolvere quel suono in un solido è, infatti, quantizzato? Il suono può essere utilizzato per archiviare ed elaborare informazioni quantistiche? Possono questi quanti di suono simili a particelle, chiamati fononi, essere contati senza distruggerli? Se è così, potresti giocare a questo trucco con più di una modalità alla volta? E più in generale, cosa è possibile con il suono che non si può fare con la luce?"

Sletten e i suoi colleghi hanno utilizzato un dispositivo costituito da un qubit superconduttore che interagisce fortemente con i fononi intrappolati in una cavità acustica. Il dispositivo è stato posizionato all'interno di un risonatore a microonde che funge da sonda sensibile del qubit. Ciò ha permesso ai ricercatori di misurare e controllare il qubit, osservando la sua interazione con i fononi.

"I fononi vivono in un risonatore acustico che funziona come uno strumento musicale, ma a frequenze 20 ottave sopra la nota più alta di un pianoforte, " Disse Sletten. "Proprio come uno strumento, ci sono note diverse, o modalità, che può vivere nel nostro risonatore. L'analogo elettrico di un risonatore multimodale di questo tipo sarebbe lungo molti metri e sarebbe un incubo da implementare sul chip".

Una modalità all'interno del risonatore corrisponde a un numero intero di increspature che si adattano esattamente alla scatola, o cavità, che confina le onde sonore. Per sentire il movimento dei fononi intrappolati, Sletten e i suoi colleghi hanno collegato il qubit al risonatore acustico utilizzando un trasduttore che trasforma il movimento in corrente elettrica. Quando il suono è eccitato nel loro risonatore, perciò, il qubit vede una corrente che ne altera l'energia.

"Abbiamo progettato un sistema abbastanza sensibile che anche il suono più silenzioso consentito dalla meccanica quantistica, un singolo fonone particellare, sposta l'energia del nostro qubit abbastanza da farci notare, " Disse Sletten. "Inoltre, questa rilevazione non distrugge i fononi che misuriamo. Possiamo contare i fononi non solo per un modo della cavità ma per diversi, dimostrando che possiamo sfruttare appieno la nostra cavità multimodale."

I risultati raccolti da Sletten e dai suoi colleghi mostrano che i qubit superconduttori possono interagire con le onde sonore abbastanza forte da rivelare la natura quantistica del suono, senza che avvenga uno scambio diretto di energia. Raggiungendo sensibilità abbastanza alte da spezzare un'onda sonora in parti quantizzate, i ricercatori si sono avvicinati di un passo al raggiungimento di un eccellente controllo quantistico dei sistemi acustici.

"Un'altra intuizione del nostro lavoro è che la lentezza del suono può essere una risorsa preziosa nell'ingegneria dei sistemi quantistici, " Ha detto Sletten. "Il lungo tempo impiegato da un fonone per rimbalzare avanti e indietro tra gli specchi è ciò che consente alla cavità di supportare più modalità. Inoltre, sfruttiamo un lungo ritardo inserito nel mezzo del nostro trasduttore per controllare con precisione come il qubit interagisce con ciascuna modalità, un'abilità cruciale nel conteggio dei fononi in una cavità multimodale."

Nel futuro, la ricerca condotta da Sletten e dai suoi colleghi potrebbe aprire la strada allo sviluppo di tecniche efficaci per controllare gli stati quantistici acustici. Nel frattempo, i ricercatori intendono continuare a esplorare l'uso dei fononi nella scienza quantistica.

Ad esempio, vorrebbero indagare se è possibile entanglement diversi modi fononici ("note") in base alla loro interazione condivisa con un qubit. Se confermato sperimentalmente, questo dimostrerebbe l'enorme potenziale dei fononi per le applicazioni di elaborazione delle informazioni quantistiche.

"I sistemi acustici sono anche un'interfaccia promettente tra diverse piattaforme quantistiche, come i qubit superconduttori, punti quantici, e fotoni ottici, e può anche rivelarsi potenti strumenti per studiare i tipi di fisica della superficie che potrebbero limitare alcune tecnologie quantistiche all'avanguardia, " ha aggiunto Slette.

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