I fisici di Stanford hanno sviluppato un "microfono quantistico" così sensibile da poter misurare singole particelle di suono, chiamati fononi.

Il dispositivo, che è dettagliato il 24 luglio sulla rivista Natura , potrebbe eventualmente portare a minori, computer quantistici più efficienti che operano manipolando il suono piuttosto che la luce.

"Ci aspettiamo che questo dispositivo consenta nuovi tipi di sensori quantistici, trasduttori e dispositivi di archiviazione per le future macchine quantistiche, " ha affermato il leader dello studio Amir Safavi-Naeini, un assistente professore di fisica applicata presso la School of Humanities and Sciences di Stanford.

Quantum di movimento

Proposta per la prima volta da Albert Einstein nel 1907, i fononi sono pacchetti di energia vibrazionale emessi da atomi nervosi. Questi pacchetti indivisibili, o quanti, di movimento manifestato come suono o calore, a seconda delle loro frequenze.

come fotoni, quali sono i portatori quantici della luce, i fononi sono quantizzati, il che significa che le loro energie vibrazionali sono limitate a valori discreti, in modo simile a come una scala è composta da gradini distinti.

"Il suono ha questa granularità che normalmente non sperimentiamo, "Safavi-Naeini ha detto. "Suono, a livello quantistico, crepitii."

L'energia di un sistema meccanico può essere rappresentata come diversi stati "Fock"—0, 1, 2, e così via, in base al numero di fononi che genera. Per esempio, uno "stato 1 Fock" consiste in un fonone di una particolare energia, uno "stato 2 Fock" è costituito da due fononi con la stessa energia, e così via. Gli stati fononici più alti corrispondono a suoni più forti.

Fino ad ora, gli scienziati non sono stati in grado di misurare direttamente gli stati fononici nelle strutture ingegnerizzate perché le differenze di energia tra gli stati, nell'analogia della scala, la distanza tra i gradini è incredibilmente piccola. "Un fonone corrisponde a un'energia dieci trilioni di trilioni di volte inferiore all'energia necessaria per tenere accesa una lampadina per un secondo, " ha detto il dottorando Patricio Arrangoiz-Arriola, co-primo autore dello studio.

Per affrontare questo problema, il team di Stanford ha progettato il microfono più sensibile al mondo, uno che sfrutta i principi quantistici per intercettare i sussurri degli atomi.

In un normale microfono, le onde sonore in arrivo fanno oscillare una membrana interna, e questo spostamento fisico viene convertito in una tensione misurabile. Questo approccio non funziona per il rilevamento di singoli fononi perché, secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg, la posizione di un oggetto quantistico non può essere conosciuta con precisione senza cambiarla.

"Se provassi a misurare il numero di fononi con un normale microfono, l'atto della misurazione inietta energia nel sistema che maschera proprio l'energia che stai cercando di misurare, "Safavi-Naeini ha detto.

Anziché, i fisici escogitarono un modo per misurare gli stati di Fock, e quindi, il numero di fononi, direttamente nelle onde sonore. "La meccanica quantistica ci dice che posizione e quantità di moto non possono essere conosciute con precisione, ma non dice niente del genere sull'energia, "Safavi-Naeini ha detto. "L'energia può essere conosciuta con precisione infinita."

Cantare qubit

Il microfono quantistico sviluppato dal gruppo consiste in una serie di risonatori nanomeccanici superraffreddati, così piccoli da essere visibili solo al microscopio elettronico. I risonatori sono accoppiati a un circuito superconduttore che contiene coppie di elettroni che si muovono senza resistenza. Il circuito forma un bit quantistico, o qubit, che può esistere in due stati contemporaneamente e ha una frequenza naturale, che può essere letto elettronicamente. Quando i risonatori meccanici vibrano come una pelle di tamburo, generano fononi in diversi stati.

"I risonatori sono formati da strutture periodiche che agiscono come specchi per il suono. Introducendo un difetto in questi reticoli artificiali, possiamo intrappolare i fononi nel mezzo delle strutture, "Ha detto Arrangoiz-Arriola.

Come detenuti indisciplinati, i fononi intrappolati fanno tremare le pareti delle loro prigioni, e questi movimenti meccanici sono trasmessi al qubit da fili ultrasottili. "La sensibilità del qubit allo spostamento è particolarmente forte quando le frequenze del qubit e dei risonatori sono quasi le stesse, " ha detto il primo autore congiunto Alex Wollack, anche uno studente laureato a Stanford.

Però, desintonizzando il sistema in modo che il qubit e i risonatori vibrino a frequenze molto diverse, i ricercatori hanno indebolito questa connessione meccanica e innescato un tipo di interazione quantistica, nota come interazione dispersiva, che collega direttamente il qubit ai fononi.

Questo legame fa sì che la frequenza del qubit si sposti in proporzione al numero di fononi nei risonatori. Misurando le variazioni di sintonia del qubit, i ricercatori hanno potuto determinare i livelli energetici quantizzati dei risonatori vibranti, risolvendo efficacemente i fononi stessi.

"Diversi livelli di energia fononica appaiono come picchi distinti nello spettro dei qubit, " Disse Safavi-Naeini. "Questi picchi corrispondono a stati di Fock di 0, 1, 2 e così via. Questi picchi multipli non erano mai stati visti prima".

Meccanico quantomeccanico

Padroneggiare la capacità di generare e rilevare con precisione i fononi potrebbe aiutare a spianare la strada a nuovi tipi di dispositivi quantistici in grado di archiviare e recuperare informazioni codificate come particelle di suono o che possono convertire senza problemi tra segnali ottici e meccanici.

Tali dispositivi potrebbero essere resi più compatti ed efficienti delle macchine quantistiche che utilizzano fotoni, poiché i fononi sono più facili da manipolare e hanno lunghezze d'onda migliaia di volte più piccole delle particelle luminose.

"Proprio adesso, le persone usano i fotoni per codificare questi stati. Vogliamo usare i fononi, che porta con sé molti vantaggi, "Safavi-Naeini ha detto. "Il nostro dispositivo è un passo importante verso la realizzazione di un computer 'meccanico quantomeccanico'".