Stanfordin yliopiston fyysikot ovat kehittäneet kvanttimikrofonin, joka on niin herkkä, että se voi mitata äänen yksittäisiä hiukkasia eli fononeja. - Odotamme, että tämä laite mahdollistaa uudentyyppisiä kvanttiantureita, muuntimia ja tallennuslaitteita tuleville kvanttikoneille, uskoo tutkimuksen vetäjä professori Amir Safavi-Naeini.
Fotonien tapaan fononit ovat kvantisoituja eli niiden energiat rajoittuvat erillisiin arvoihin. - Äänellä on sellainen rakeisuus, jota emme normaalisti koe, Safavi-Naeini toteaa.
Tähän asti tutkijat eivät ole pystyneet mittaamaan rakenteissa olevien fononien tiloja koska niiden väliset energiaerot ovat häviävän pienet. Stanfordin tutkijaryhmä suunnitteli ongelman ratkaisemiseksi maailman herkimmän mikrofonin, jolla voidaan kvanttiperiaatteita hyödyntäen kuunnella atomien kuiskauksia.
- Kvanttimekaniikka kertoo meille, että kvantin sijaintia ja liikemäärää ei voida tietää tarkalleen - mutta siinä ei sanota, että vastaavaa ei voitaisi tehdä energiasta. Energiaa voidaan tutkia äärettömällä tarkkuudella, Safavi-Naeini sanoi.
Siten fyysikot mittaavatkin Fock-tiloja - ja siten fononien lukumäärää ääniaalloissa suoraan. Mekaanisen järjestelmän energia voidaan esittää erilaisina Fock -tiloina - 0, 1, 2 jne. – perustuen sen tuottamien fononien lukumäärään. Korkeammat fononitilat vastaavat voimakkaampia ääniä.
Ryhmän kehittämä kvanttimikrofoni koostuu sarjasta jäähdytettyjä nanomekaanisia resonaattoreita, jotka on kytketty suprajohtavaan piiriin, joka sisältää elektronipareja, jotka liikkuvat ilman resistanssia.
- Piiri muodostaa kvanttibitin eli kubitin jolla on luonnollinen taajuus. Se voidaan lukea sähköisesti. Kun resonaattorit värähtelevät ne tuottavat fononeja. Resonaattorit on muodostettu jaksollisista rakenteista, jotka toimivat kuin peilit äänelle ja niiden avulla voidaan vangita fononeja rakenteisiin.
Loukussa olevat fononit ravistelevat loukkonsa seinämiä ja syntyneet mekaaniset liikkeet välitetään kubitille erittäin ohuilla langoilla. Kubitin herkkyys siirtymälle on erityisen vahva, kun kubitin ja resonaattorien taajuudet ovat melkein samat, kertovat tutkijat.
Virittämällä järjestelmää siten, että kubitti ja resonaattorit värähtelevät hyvin erilaisilla taajuuksilla tutkijat heikensivät tätä mekaanista yhteyttä ja laukaisivat kvanttitason dispersiivisen vuorovaikutuksen, joka yhdistää kubitin suoraan fononeihin. Tämä sidos aiheuttaa kubitin taajuuden siirtymisen suhteessa resonaattorien fononien lukumäärään.
- Eri fononien energiatasot näkyvät erillisinä piikkeinä kubitin spektrissä. Nämä huiput vastaavat Fock-tiloja 0, 1, 2 ja niin edelleen. Näin useita huippuja ei ollut koskaan ennen nähty, hehkuttaa Safavi-Naeini yliopistonsa tiedotteessa.
Kyky hallita, tuottaa ja tunnistaa fononeja tarkasti voisi auttaa tasoittamaan tietä uudentyyppisille kvanttilaitteille, jotka pystyvät tallentamaan ja hakemaan äänipartikkeleiksi koodattua informaatiota tai jotka voivat muuntaa saumattomasti optisten ja mekaanisten signaalien välillä.
Tällaiset laitteet voitaisiin mahdollisesti tehdä kompakteimmiksi ja tehokkaammiksi kuin fotoneja käyttävät kvanttikoneet, koska fononeja on helpompi käsitellä ja niiden aallonpituudet ovat tuhansia kertoja pienemmät kuin valohiukkasten. - Laitteemme on tärkeä askel kohti mekaanista kvanttimekaanista tietokonetta, kertoo Safavi-Naeini.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 9.8.2019
