Os físicos de Stanford desenvolveram um “microfone quântico” tão sensível que pode medir partículas individuais de som, chamadas fonons.
O dispositivo, que é detalhado em 24 de julho na revista Nature, poderia levar a computadores quânticos menores e mais eficientes que operam manipulando o som ao invés 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 Faculdade de Ciências Humanas e Ciências de Stanford.
Quantum of motion
Primeiramente proposto por Albert Einstein em 1907, os fonons são pacotes de energia vibracional emitidos por átomos nervosos. Esses pacotes indivisíveis, ou quanta, de movimento se manifestam como som ou calor, dependendo de suas freqüências.
Como os fótons, que são os portadores quânticos de luz, os fônons são quantificados, ou seja, suas energias vibracionais são restritas a valores discretos – semelhantes a como uma escada é composta de passos distintos.
“O som tem essa granularidade que normalmente não experimentamos”, disse Safavi-Naeini. “Som, no nível quântico, crepita.”
A energia de um sistema mecânico pode ser representada como estados “Fock” diferentes – 0, 1, 2 e assim por diante – com base no número de fonons que gera. Por exemplo, um “estado de 1 Fock” consiste em um fônon de uma energia particular, um “estado de 2 Fock” consiste em dois fonons com a mesma energia, e assim por diante. Estados phonon mais altos correspondem a sons mais altos.
Até agora, os cientistas têm sido incapazes de medir os estados de fônons em estruturas projetadas diretamente, porque as diferenças de energia entre os estados – na analogia da escada, o espaçamento entre as etapas – são extremamente pequenas. “Um fônon corresponde a uma energia de dez trilhões de trilhões de vezes menor do que a energia necessária para manter uma lâmpada ligada por um segundo”, disse o estudante Patricio Arrangoiz-Arriola, co-autor do estudo.
Para resolver esse problema, a equipe de Stanford projetou o microfone mais sensível do mundo – um que explora os princípios quânticos para espionar os sussurros dos átomos.
Em um microfone comum, as ondas sonoras que chegam 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 precisamente conhecida sem alterá-lo.
“Se você tentou medir o número de fônons com um microfone comum, o ato de medir injeta energia no sistema que mascara a energia que você está tentando medir”, disse Safavi-Naeini.
Em vez disso, os físicos inventaram 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 nada sobre energia”, disse Safavi-Naeini. “A energia pode ser conhecida com precisão infinita.”
Cantando qubits
O microfone quântico desenvolvido pelo grupo 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 lida eletronicamente. Quando os ressonadores mecânicos vibram como uma pele de tambor, eles geram fonons em estados diferentes.
“Os ressonadores são formados por estruturas periódicas que atuam como espelhos para o som. Ao introduzir um defeito nessas redes artificiais, podemos prender os fônons no meio das estruturas”, disse Arrangoiz-Arriola.
Como prisioneiros indisciplinados, os fônons presos sacodem as paredes de suas prisões, e esses movimentos mecânicos são transportados para o qubit por fios ultra-finos. “A sensibilidade do qubit ao deslocamento é especialmente forte quando as freqüências do qubit e dos ressonadores são quase as mesmas”, disse o primeiro autor conjunto, Alex Wollack, também aluno de pós-graduação em Stanford.
No entanto, detuning o sistema de modo que o qubit e os ressonadores vibram em freqüências muito diferentes, os pesquisadores enfraqueceram essa conexão mecânica e desencadearam um tipo de interação quântica, conhecida como interação dispersiva, que liga diretamente o qubit aos fonons.
Esse vínculo faz com que a freqüência do qubit seja proporcional ao número de fônons nos ressonadores. Medindo as mudanças do qubit em sintonia, os pesquisadores puderam determinar os níveis de energia quantificados dos ressonadores vibratórios – efetivamente resolvendo os próprios fônons.
“Diferentes níveis de energia dos fonons aparecem como picos distintos no espectro do qubit”, disse Safavi-Naeini. “Esses picos correspondem aos estados de Fock de 0, 1, 2 e assim por diante. Esses múltiplos picos nunca haviam sido vistos antes.”
Mecânica quântica mecânica
Dominar a capacidade de gerar e detectar fônons com precisão poderia 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 facilmente entre sinais ópticos e mecânicos.
Tais dispositivos poderiam 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 possuem comprimentos de onda que são milhares de vezes menores que as partículas de luz.
“Neste momento, as pessoas estão usando fótons para codificar esses estados. Queremos usar fonons, o que traz muitas vantagens”, disse Safavi-Naeini. “Nosso dispositivo é um passo importante para fazer um computador ‘mecânico mecânico quântico'”.
Publicado em 28/07/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-07-physicists-particles-quantum-microphone.html
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