Em um estudo recente, pesquisadores da Universidade do Colorado resolveram os estados de fonon Fock no espectro de um qubit supercondutor acoplado a uma cavidade acústica multimodo. Os estados Fock (ou estados numéricos) são estados quânticos com um número de partículas claramente definido. Esses estados desempenham um papel crucial na segunda formulação de quantização da mecânica quântica.

Em seu jornal, publicado em Revisão Física X , os pesquisadores descrevem como eles acoplaram um qubit às ondas acústicas de superfície e projetaram com sucesso uma dependência de frequência nítida na interação qubit-fônon. A interferência resultante desse processo gerou uma estrutura de frequência de alto contraste na interação qubit-fônon.

"Inspirado no uso bem-sucedido de qubits para controlar estados quânticos de luz, queríamos explorar o que podemos alcançar acoplando qubits ao som, "Lucas Sletten, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Nós nos perguntamos:É possível resolver esse som em um sólido é, na verdade, quantificado? O som pode ser usado para armazenar e processar informações quânticas? Podem esses quanta de som parecidos com partículas, chamados fônons, ser contado sem destruí-los? Se então, você poderia fazer esse truque com mais de um modo de cada vez? E de forma mais geral, o que é possível com som que não pode ser feito com luz? "

Sletten e seus colegas usaram um dispositivo feito de um qubit supercondutor que interage fortemente com fônons presos em uma cavidade acústica. O dispositivo foi colocado dentro de um ressonador de microondas que serve como uma sonda sensível do qubit. Isso permitiu aos pesquisadores medir e controlar o qubit, enquanto observa sua interação com fônons.

"Os fônons vivem em um ressonador acústico que funciona como um instrumento musical, mas em frequências 20 oitavas acima da nota mais alta de um piano, "Sletten disse." Assim como um instrumento, existem notas diferentes, ou modos, que pode viver em nosso ressonador. O analógico elétrico de tal ressonador multimodo teria muitos metros de comprimento e seria um pesadelo para implementar no chip. "

Um modo dentro do ressonador corresponde a um número inteiro de ondulações que se encaixam exatamente na caixa, ou cavidade, que confina as ondas sonoras. Para sentir o movimento dos fônons presos, Sletten e seus colegas conectaram o qubit ao ressonador acústico usando um transdutor que transforma o movimento em corrente elétrica. Quando o som está animado em seu ressonador, Portanto, o qubit vê uma corrente que altera sua energia.

"Projetamos um sistema sensível o suficiente para que até o som mais baixo permitido pela mecânica quântica, um único fônon parecido com uma partícula, muda a energia do nosso qubit o suficiente para percebermos, "Sletten disse." Além disso, esta detecção não destrói os fônons que medimos. Podemos contar fônons não apenas para um modo da cavidade, mas para vários, demonstrando que podemos tirar o máximo proveito de nossa cavidade multimodo. "

As descobertas reunidas por Sletten e seus colegas mostram que os qubits supercondutores podem interagir com as ondas sonoras com força suficiente para revelar a natureza quântica do som, sem uma troca direta de energia ocorrendo. Ao atingir sensibilidades altas o suficiente para quebrar uma onda sonora em partes quantizadas, os pesquisadores deram um passo mais perto de alcançar um excelente controle quântico de sistemas acústicos.

"Outro insight de nosso trabalho é que a lentidão do som pode ser um recurso valioso na engenharia de sistemas quânticos, "Sletten disse." O longo tempo que leva para um fônon balançar para frente e para trás entre os espelhos é o que permite que a cavidade suporte múltiplos modos. Adicionalmente, aproveitamos um longo atraso inserido no meio do nosso transdutor para controlar com precisão como o qubit interage com cada modo, uma habilidade crucial na contagem de fônons em uma cavidade multimodo. "

No futuro, a pesquisa conduzida por Sletten e seus colegas pode abrir caminho para o desenvolvimento de técnicas eficazes para controlar estados quânticos acústicos. Enquanto isso, os pesquisadores planejam continuar explorando o uso de fônons na ciência quântica.

Por exemplo, eles gostariam de investigar se é possível emaranhar vários modos diferentes de fônons ('notas') com base em sua interação compartilhada com um qubit. Se confirmado experimentalmente, isso provaria o enorme potencial dos fônons para aplicações de processamento de informações quânticas.

"Os sistemas acústicos também são uma interface promissora entre diferentes plataformas quânticas, como qubits supercondutores, pontos quânticos, e fótons ópticos, e também podem ser ferramentas poderosas para investigar os tipos de física de superfície que podem estar limitando algumas tecnologias quânticas de ponta, "Sletten acrescentou.

© 2019 Science X Network