物理学家用量子麦克风计算声音粒子

 tianxiadiyi   2019-07-05 16:45   48 人阅读  0 条评论

斯坦福大学的物理学家开发了一种“量子麦克风”,它非常灵敏,可以测量声音的单个粒子,称为声子。

该设备于7月24日发表在“ 自然 ”杂志上,最终可能会产生更小,更高效的量子计算机,通过操纵声音而不是光来操作。

斯坦福大学人文与科学学院应用物理学助理教授,研究负责人Amir Safavi-Naeini说:“我们希望这种设备能够为未来的量子机器提供新型的量子传感器,传感器和存储设备。”

量子运动

最早由阿尔伯特爱因斯坦于1907年提出,声子是由抖动原子发出的振动能量包。运动的这些不可分割的包或量子表现为声音或热量,这取决于它们的频率。

像光子,它是光的量子载体,声子是量子化的,意味着它们的振动能量被限制在离散值 - 类似于楼梯由不同的步骤组成。

“声音具有我们通常不会经历的这种粒度,”Safavi-Naeini说。“声音,在量子水平,爆裂。”

机械系统的能量可以表示为不同的“Fock”状态 - 0,1,2等 - 基于它产生的声子数量。例如,“1 Fock状态”由一个特定能量的声子组成,“2 Fock状态”由两个具有相同能量的声子组成,依此类推。较高的声子状态对应于较响的声音。

到目前为止,科学家一直无法直接测量工程结构中的声子态,因为状态之间的能量差异 - 在阶梯类比中,步骤之间的间距 - 正在消失得很小。该研究的共同第一作者,研究生Patricio Arrangoiz-Arriola说:“一个声子对应的能量比保持灯泡一秒所需的能量小十万亿亿倍。”

为了解决这个问题,斯坦福大学的团队设计了世界上最敏感的麦克风 - 利用量子原理来窃听原子的低语。

在普通的麦克风中,入射的声波摇动内部膜,并且该物理位移被转换成可测量的电压。这种方法不适用于检测单个声子,因为根据海森堡不确定性原理,量子物体的位置如果不改变它就不能精确地知道。

“如果你试图用常规麦克风测量声子的数量,测量行为会向系统注入能量,掩盖你试图测量的能量,”Safavi-Naeini说。

相反,物理学家设计了一种方法来直接测量声波中的Fock状态 - 从而测量声子的数量。“量子力学告诉我们,位置和动量不能准确地知道 - 但它没有说能量,”Safavi-Naeini说。“可以无限精确地了解能源。”

唱歌量子比特

该组开发的量子麦克风由一系列过冷纳米机械谐振器组成,这些谐振器很小,只有通过电子显微镜才能看到。谐振器耦合到超导电路,该超导电路包含在没有电阻的情况下移动的电子对。该电路形成量子比特或量子比特,其可以同时存在于两个状态并且具有可以电子方式读取的固有频率。当机械谐振器像鼓面一样振动时,它们会产生不同状态的声子。

“谐振器由周期性结构形成,就像声音的镜子一样。通过在这些人工晶格中引入缺陷,我们可以将声子捕获在结构的中间,”Arrangoiz-Arriola说。

像不守规矩的囚犯一样,被困的声子在监狱的墙壁上发出嘎嘎声,这些机械动作通过超细线传递到量子比特。“当量子比特和谐振器的频率几乎相同时,量子比特对位移的敏感性特别强,”联合第一作者亚历克斯沃拉克说,他也是斯坦福大学的研究生。

然而,通过使系统失谐以使量子位和谐振器以非常不同的频率振动,研究人员削弱了这种机械连接并触发了一种量子相互作用,称为色散相互作用,将量子位直接连接到声子上。

该键使得量子位的频率与谐振器中的声子数成比例地移动。通过测量量子比特的调谐变化,研究人员可以确定振动谐振器的量子化能级 - 有效地解析声子本身。

“不同的声子能级在量子比特谱中表现为明显的峰值,”Safavi-Naeini说。“这些峰值对应于Fock状态0,1,2等等。这些多峰从未见过。”

机械量子力学

掌握精确生成和检测声子的能力可以帮助为新型量子器件铺平道路,这些量子器件能够存储和检索编码为声音粒子的信息,或者可以在光学和机械信号之间无缝转换的信息。

可以想象,这种装置可以比使用光子的量子机器更紧凑和有效,因为声子更容易操作并且具有比光粒子小数千倍的波长。

“现在,人们正在使用光子对这些状态进行编码。我们希望使用声子,这带来了许多优势,”Safavi-Naeini说。“我们的设备是制造'机械量子力学'计算机的重要一步。”



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