Os físicos de Stanford desenvolveram um "microfone quântico" tão sensível que pode medir partículas individuais de som, chamados fônons.

O dispositivo, que é detalhado em 24 de julho no jornal Natureza , poderia eventualmente levar a menores, computadores quânticos mais eficientes que operam manipulando o som em vez da luz.

"Esperamos que este dispositivo permita novos tipos de sensores quânticos, transdutores e dispositivos de armazenamento para futuras máquinas quânticas, "disse o líder do estudo, Amir Safavi-Naeini, professor assistente de física aplicada na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford.

Quantum de movimento

Proposta pela primeira vez por Albert Einstein em 1907, fônons são pacotes de energia vibracional emitidos por átomos agitados. Esses pacotes indivisíveis, ou quanta, de movimento manifestado como som ou calor, dependendo de suas frequências.

Como fótons, que são os portadores quânticos da luz, fônons são quantizados, o que significa que suas energias vibracionais são restritas a valores discretos - semelhante a como uma escada é composta de degraus distintos.

"O som tem essa granularidade que normalmente não experimentamos, "Safavi-Naeini disse." Som, no nível quântico, estalos. "

A energia de um sistema mecânico pode ser representada como diferentes estados "Fock" - 0, 1, 2, e assim por diante - com base no número de fônons que ele gera. Por exemplo, um "estado 1 Fock" consiste em um fônon de uma energia particular, um "estado 2 Fock" consiste em dois fônons com a mesma energia, e assim por diante. Os estados de fônon mais altos correspondem a sons mais altos.

Até agora, os cientistas não conseguiram medir os estados de fônons em estruturas projetadas diretamente devido às diferenças de energia entre os estados - na analogia da escada, o espaçamento entre as etapas - é extremamente pequeno. "Um fônon corresponde a uma energia dez trilhões de trilhões de vezes menor do que a energia necessária para manter uma lâmpada acesa por um segundo, disse o estudante de graduação Patricio Arrangoiz-Arriola, um co-primeiro autor do estudo.

Abordar esta questão, a equipe de Stanford projetou o microfone mais sensível do mundo - um que explora os princípios quânticos para escutar os sussurros dos átomos.

Em um microfone comum, ondas sonoras de entrada sacodem uma membrana interna, e esse deslocamento físico é convertido em uma tensão mensurável. Essa abordagem não funciona para detectar fônons individuais porque, de acordo com o princípio da incerteza de Heisenberg, a posição de um objeto quântico não pode ser conhecida com precisão sem alterá-la.

"Se você tentasse medir o número de fonons com um microfone normal, o ato de medição injeta energia no sistema que mascara a própria energia que você está tentando medir, "Safavi-Naeini disse.

Em vez de, os físicos desenvolveram uma maneira de medir os estados de Fock - e, portanto, o número de fônons - diretamente nas ondas sonoras. "A mecânica quântica nos diz que a posição e o momento não podem ser conhecidos com precisão, mas não diz isso sobre energia, "Safavi-Naeini disse." A energia pode ser conhecida com infinita precisão. "

Cantando qubits

O microfone quântico que o grupo desenvolveu consiste em uma série de ressonadores nanomecânicos super-resfriados, tão pequenos que são visíveis apenas através de um microscópio eletrônico. Os ressonadores são acoplados a um circuito supercondutor que contém pares de elétrons que se movem sem resistência. O circuito forma um bit quântico, ou qubit, que pode existir em dois estados ao mesmo tempo e tem uma frequência natural, que pode ser lido eletronicamente. Quando os ressonadores mecânicos vibram como uma pele de tambor, eles geram fônons em diferentes estados.

"Os ressonadores são formados por estruturas periódicas que agem como espelhos de som. Ao introduzir um defeito nessas redes artificiais, podemos prender os fônons no meio das estruturas, "Disse Arrangoiz-Arriola.

Como presos indisciplinados, os fônons presos sacodem as paredes de suas prisões, e esses movimentos mecânicos são transmitidos ao qubit por fios ultrafinos. "A sensibilidade do qubit ao deslocamento é especialmente forte quando as frequências do qubit e dos ressonadores são quase as mesmas, "disse o primeiro autor conjunto Alex Wollack, também um estudante de graduação em Stanford.

Contudo, desafinando o sistema para que o qubit e os ressonadores vibrem em frequências muito diferentes, os pesquisadores enfraqueceram essa conexão mecânica e desencadearam um tipo de interação quântica, conhecido como interação dispersiva, que liga diretamente o qubit aos fonons.

Essa ligação faz com que a frequência do qubit mude em proporção ao número de fônons nos ressonadores. Ao medir as mudanças do qubit na afinação, os pesquisadores puderam determinar os níveis de energia quantizados dos ressonadores vibratórios - resolvendo efetivamente os próprios fônons.

"Diferentes níveis de energia de fônons aparecem como picos distintos no espectro de qubit, "Safavi-Naeini disse." Esses picos correspondem aos estados Fock de 0, 1, 2 e assim por diante. Esses múltiplos picos nunca haviam sido vistos antes. "

Mecânica mecânica quântica

Dominar a capacidade de gerar e detectar fônons com precisão pode ajudar a abrir caminho para novos tipos de dispositivos quânticos que são capazes de armazenar e recuperar informações codificadas como partículas de som ou que podem ser convertidas sem problemas entre sinais ópticos e mecânicos.

Esses dispositivos podem ser concebidos de forma mais compacta e eficiente do que as máquinas quânticas que usam fótons, já que os fônons são mais fáceis de manipular e têm comprimentos de onda milhares de vezes menores que as partículas de luz.

"Agora mesmo, as pessoas estão usando fótons para codificar esses estados. Queremos usar fonons, o que traz consigo muitas vantagens, "Safavi-Naeini disse." Nosso dispositivo é um passo importante para fazer um computador 'mecânico-quântico mecânico'.