Аннотация:
Лучшая международная исследовательская группа в области физики совершила важный прорыв в области квантовой физики. Впервые он наблюдал весь процесс существования одного фонона (фонон, мельчайшая базовая единица звуковой энергии) от существования до полного затухания и исчезновения в лаборатории в режиме реального времени и неразрушающим способом. Этот экспериментальный результат не только заполняет пробел в наблюдениях во взаимной трансформации между макроскопическими звуковыми волнами и микроскопической квантовой механикой, но также обеспечивает новую экспериментальную парадигму для проектирования будущей архитектуры квантовых вычислений и квантовых датчиков.
В мире микроскопической физики свет квантуется в форме фотонов, а звук, передаваемый коллективной вибрацией атомов внутри твердых материалов, квантуется в фононы. Хотя современная физика уже давно теоретически предсказала и косвенно подтвердила существование фононов, уловить и постоянно отслеживать динамические изменения отдельных фононов в экспериментах чрезвычайно сложно. Фононы чрезвычайно чувствительны к помехам от тепловых колебаний окружающей среды и механических вибраций, а их энергия чрезвычайно слаба. Традиционные методы измерения часто уничтожают их в момент обнаружения, что делает невозможным регистрацию их эволюции.
Чтобы решить эту проблему, исследователи создали высокочувствительную гибридную сверхпроводящую квантовую систему в условиях чрезвычайно низкой температуры. В эксперименте ученые использовали сверхпроводящие кубиты точной конструкции в качестве неинвазивных зондов для достижения сильной связи с единственной высокочастотной модой вибрации, захваченной в микроскопическом акустическом резонаторе. В этой конфигурации система может непрерывно контролировать состояние акустической резонансной полости с помощью квантового неразрушающего измерения (QND), тем самым точно записывая микроскопическую траекторию одного звукового кванта, поглощаемого материалом и полностью рассеивающегося в определенный момент времени, не разрушая сам фонон.
Эксперты-физики заявили, что возможность отслеживать отдельные фононы в реальном времени означает, что исследования квантовой акустики (Quantum Acoustics) вступили в новый этап высокоточного управления. Фононы имеют более короткие длины волн и чрезвычайно низкую задержку распространения света, чем фотоны, что делает их идеальной средой для соединения различных квантовых систем, таких как спиновые и сверхпроводящие цепи. Освоение микроскопического механизма генерации, эволюции и уничтожения фононов имеет далеко идущую научную ценность и перспективы применения для разработки квантовой памяти сверхвысокой плотности на основе поверхностных акустических волн, преодоления проблемы квантовой декогеренции и разработки нового поколения высокочувствительных квантовых сенсоров.
Комментарии