I ricercatori eseguono esperimenti che possono aggiungere o sottrarre un singolo quanto di suono, con risultati sorprendenti se applicati a campi sonori rumorosi.

La meccanica quantistica ci dice che gli oggetti fisici possono avere proprietà sia ondulatorie che particellari. Ad esempio, una singola particella - o quanto - di luce è nota come fotone, e, in modo simile, un singolo quanto di suono è noto come fonone, che può essere considerata la più piccola unità di energia sonora.

Un team di ricercatori dell'Imperial College di Londra, Università di Oxford, l'Istituto Niels Bohr, Università di Bath, e l'Australian National University hanno eseguito un esperimento in grado di aggiungere o sottrarre un singolo fonone a un campo sonoro ad alta frequenza utilizzando interazioni con la luce laser.

I risultati del team aiutano lo sviluppo di future tecnologie quantistiche, come i componenti hardware in una futura "internet quantistica", e contribuire a spianare la strada a test di meccanica quantistica su scala più macroscopica. I dettagli della loro ricerca sono pubblicati oggi sulla prestigiosa rivista Lettere di revisione fisica.

Per aggiungere o sottrarre un singolo quanto di suono, il team implementa sperimentalmente una tecnica proposta nel 2013 che sfrutta le correlazioni tra fotoni e fononi creati all'interno di un risonatore. Più specificamente, la luce laser viene iniettata in un microrisonatore cristallino che supporta sia la luce che le onde sonore ad alta frequenza.

I due tipi di onde si accoppiano quindi tra loro tramite un'interazione elettromagnetica che crea luce a una nuova frequenza. Quindi, sottrarre un singolo fonone, il team ha rilevato un singolo fotone che è stato spostato verso l'alto in frequenza. "Il rilevamento di un singolo fotone ci dà un segnale pronto per l'evento che abbiamo sottratto un singolo fotone, ", afferma l'autore principale del progetto Georg Enzian.

Quando l'esperimento viene eseguito a una temperatura finita, il campo sonoro ha fluttuazioni casuali dovute al rumore termico. Così, in qualsiasi momento, il numero esatto di quanti sonori presenti è sconosciuto ma in media ci saranno inizialmente n fononi.

Cosa succede ora quando si aggiunge o si sottrae un singolo fonone? Al primo pensiero, potresti aspettarti che questo cambi semplicemente la media in n + 1 o n - 1, rispettivamente, tuttavia il risultato effettivo sfida questa intuizione. Infatti, abbastanza controintuitivamente, quando sottrai un singolo fonone, il numero medio di fononi in realtà sale a 2n.

Questo risultato sorprendente in cui il numero medio di quanti raddoppia è stato osservato per esperimenti di sottrazione di fotoni completamente ottici ed è stato osservato per la prima volta al di fuori dell'ottica qui. "Un modo per pensare all'esperimento è immaginare una macchina per artigli che si vede spesso nelle sale giochi, tranne per il fatto che non puoi vedere quanti giocattoli ci sono all'interno della macchina. Prima di accettare di giocare, ti è stato detto che in media ci sono n giocattoli all'interno ma il numero esatto cambia casualmente ogni volta che giochi. Quindi, subito dopo una presa riuscita con l'artiglio, il numero medio di giocattoli in realtà sale a 2n, " descrive Michael Vanner, Principal Investigator del Quantum Measurement Lab presso l'Imperial College di Londra.

È importante notare che questo risultato non viola certo il risparmio energetico ed è dovuto alla statistica dei fononi termici.

I risultati della squadra, combinato con il loro recente esperimento che ha riportato un forte accoppiamento tra luce e suono in un microrisonatore, aprire un nuovo percorso per la scienza e la tecnologia quantistica con le onde sonore.