Os pesquisadores realizam experimentos que podem adicionar ou subtrair um único quantum de som - com resultados surpreendentes quando aplicados a campos sonoros ruidosos.

A mecânica quântica nos diz que os objetos físicos podem ter propriedades tanto de onda quanto de partícula. Por exemplo, uma única partícula - ou quantum - de luz é conhecida como fóton, e, de uma forma semelhante, um único quantum de som é conhecido como fônon, que pode ser considerada a menor unidade de energia sonora.

Uma equipe de pesquisadores que abrange o Imperial College London, Universidade de Oxford, o Instituto Niels Bohr, University of Bath, e a Australian National University realizaram um experimento que pode adicionar ou subtrair um único fônon a um campo sonoro de alta frequência usando interações com luz laser.

As descobertas da equipe auxiliam no desenvolvimento de futuras tecnologias quânticas, como componentes de hardware em uma futura 'internet quântica', e ajudar a pavimentar o caminho para testes de mecânica quântica em uma escala mais macroscópica. Os detalhes de suas pesquisas são publicados hoje na prestigiosa revista. Cartas de revisão física.

Para adicionar ou subtrair um único quantum de som, a equipe implementou experimentalmente uma técnica proposta em 2013 que explora correlações entre fótons e fônons criados dentro de um ressonador. Mais especificamente, a luz laser é injetada em um microrressonador cristalino que suporta tanto a luz quanto as ondas sonoras de alta frequência.

Os dois tipos de ondas então se acoplam por meio de uma interação eletromagnética que cria luz em uma nova frequência. Então, para subtrair um único fônon, a equipe detectou um único fóton que foi alterado para cima na frequência. "A detecção de um único fóton nos dá um sinal pronto para o evento de que subtraímos um único fônon, "diz o autor principal do projeto Georg Enzian.

Quando o experimento é realizado em uma temperatura finita, o campo de som tem flutuações aleatórias de ruído térmico. Assim, A qualquer momento, o número exato de quanta de som presente é desconhecido, mas, em média, inicialmente não haverá fônons.

O que acontece agora quando você adiciona ou subtrai um único fônon? À primeira vista, você pode esperar que isso simplesmente mudasse a média para n + 1 ou n - 1, respectivamente, no entanto, o resultado real desafia essa intuição. De fato, bastante contra-intuitivamente, quando você subtrai um único fônon, o número médio de fonons na verdade sobe para 2n.

Este resultado surpreendente onde o número médio de quanta duplica foi observado para experimentos de subtração de fótons totalmente ópticos e é observado pela primeira vez fora da óptica aqui. "Uma maneira de pensar no experimento é imaginar uma máquina de garras que você costuma ver em fliperamas, exceto que você não pode ver quantos brinquedos há dentro da máquina. Antes de concordar em jogar, disseram a você que, em média, há n brinquedos dentro, mas o número exato muda aleatoriamente cada vez que você joga. Então, imediatamente após uma pegada bem-sucedida com a garra, o número médio de brinquedos realmente sobe para 2n, "descreve Michael Vanner, Pesquisador principal do Quantum Measurement Lab no Imperial College London.

É importante notar que este resultado certamente não viola a conservação de energia e ocorre devido às estatísticas dos fônons térmicos.

Os resultados da equipe, combinado com seu recente experimento que relatou forte acoplamento entre luz e som em um microrressonador, abrir um novo caminho para a ciência e tecnologia quântica com ondas sonoras.