A data, pesquisas em óptica quântica investigaram principalmente a relação entre luz e matéria usando pequenos átomos interagindo com campos eletromagnéticos que têm comprimentos de onda substancialmente maiores. Em um novo estudo não convencional, uma equipe da Chalmers University of Technology na Suécia e do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz se propôs a explorar a interação entre um grande átomo e campos acústicos com comprimentos de onda de várias ordens de magnitude abaixo das dimensões atômicas.

Em um estudo anterior, alguns dos pesquisadores do mesmo grupo mostraram que átomos artificiais baseados em qubits supercondutores podem ser acoplados piezoeletricamente a ondas acústicas de superfície. Ao comparar a interação som-matéria que observaram com a interação luz-matéria mais convencional, eles descobriram que os dois são realmente muito semelhantes.

Inspirado por essas observações, eles se propuseram a sondar a física da interação luz-matéria em sistemas acústicos. Contudo, eles descobriram que isso só poderia ser feito dentro de regimes de parâmetros que são desafiadores, se não impossível, para conseguir sem usar som.

"Percebemos que a lenta velocidade de propagação do som nos permitiria criar átomos artificiais com atrasos de tempo internos, ou átomos 'gigantes', como gostamos de chamá-los, "Gustav Andersson, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Nosso objetivo era descobrir como esse regime era diferente do caso mais padrão de pequenos átomos, como seria a absorção e a emissão de fônons de um átomo gigante. "

Para alcançar o "regime do átomo gigante" que eles queriam investigar, os pesquisadores tiraram proveito de uma característica-chave das ondas sonoras - especificamente, sua taxa de propagação lenta. Na verdade, a taxa de propagação das ondas sonoras é de cerca de 3000 m / s, que é cinco ordens de magnitude mais lento que a luz.

Andersson e seus colegas fizeram o átomo artificial interagir com o som em dois pontos separados. Para que seu experimento funcione, Contudo, a distância entre esses dois pontos tinha que ser grande o suficiente para garantir que o tempo em que as ondas se propagassem por eles fosse maior do que a escala de tempo de absorção e emissão de fótons.

A abordagem adotada pelos pesquisadores pode ser comparada ao controle da radiação de um átomo ao prendê-lo a uma antena. Como a velocidade das ondas sonoras é baixa, leva mais tempo para seu campo se propagar através do átomo gigante, dando origem ao que é conhecido como dinâmica não Markoviana.

"Fizemos o átomo artificial interagir com o som por meio de transdutores interdigitais (IDTs), uma estrutura de dedo periódica cujo período corresponde ao comprimento de onda das ondas acústicas de superfície, "Andersson explicou." Nós criamos essa separação usando efetivamente dois IDTs conectados eletricamente. Em seguida, usamos medições de microondas em baixa temperatura, técnicas padrão para circuitos supercondutores, para estudar as propriedades do átomo gigante. "

O experimento realizado por Andersson e seus colegas rendeu várias observações interessantes relacionadas à interação entre som e matéria. Por exemplo, os pesquisadores foram capazes de demonstrar o decaimento não exponencial e as novas propriedades de espalhamento de átomos gigantes. Essas características recém-descobertas são causadas pelo efeito de retardo de tempo (ou seja, processo não Markoviano) no nível de um único átomo.

"A estrutura tradicional da óptica quântica é baseada em átomos semelhantes a pontos e negligencia o tempo que leva para a luz passar por um único átomo, "Lingzhen Guo, outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. "Para explicar as observações coletadas em nossos experimentos, Contudo, temos que considerar o efeito do tamanho e o atraso de tempo do átomo. Portanto, o estudo de átomos gigantes representa um novo paradigma em óptica quântica. "

O trabalho recente de Andersson, Guo e o resto de sua equipe demonstram a natureza não Markoviana de um átomo gigante no espectro de frequência, ao mesmo tempo, revelando sua decadência não exponencial ao longo do tempo. No futuro, eles gostariam de realizar estudos adicionais que podem aumentar a relevância dos sistemas acústicos no processamento de informação quântica, explorando suas vantagens sobre circuitos puramente elétricos.

"Devido ao curto comprimento de onda do som, ressonadores de ondas acústicas de superfície podem ser projetados para suportar muitos mais modos ressonantes do que seus equivalentes eletromagnéticos, "Andersson disse." Ao unir esses modos com circuitos supercondutores, esperamos criar estados quânticos complexos com o mínimo de hardware. Seria emocionante ver se tais sistemas poderiam ser usados ​​para simular sistemas quânticos de estado sólido ou certos esquemas para realizar a computação quântica. "

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