Физики разделили биты звука с помощью квантовой механики
Фононы — кванты звука, то есть минимальные порции энергии, которые переносятся упругими колебаниями атомов в твердых телах. Фононы играют важную роль в многих физических явлениях, таких как теплопроводность, сверхпроводимость, сверхтекучесть и др. Кроме того, фононы могут быть использованы для создания новых квантовых устройств, таких как квантовые компьютеры, сенсоры и связь.
Однако фононы — не простые частицы, а сложные объекты, которые подчиняются законам квантовой механики. В частности, фононы могут расщепляться на два или более фонона с разными энергиями и импульсами. Это явление нарушает классические законы сохранения энергии и импульса, которые запрещают такое расщепление. Как же это возможно? И как это можно доказать экспериментально? Эти вопросы ставили перед собой ученые из Университета Чикаго, которые провели уникальный эксперимент по расщеплению фононов с помощью поверхностных акустических волн и сверхпроводящих кубитов.
Для проведения эксперимента ученые использовали специальное устройство, которое позволяло возбуждать и детектировать поверхностные акустические волны (ПАВ) — звуковые волны, которые распространяются по поверхности твердого тела. ПАВ имеют очень высокую частоту — около 10 миллиардов герц — и очень маленькую длину волны — около 300 нанометров.
Для возбуждения ПАВ ученые использовали сверхпроводящий кубит — двухуровневая квантовая система, которая может находиться в суперпозиции двух состояний: |0> и |1>. Кубит можно перевести из одного состояния в другое с помощью микроволнового импульса. Когда кубит находится в состоянии |1>, он испускает ПАВ с определенной энергией и импульсом. Этот ПАВ достигает делителя пучка — устройство, которое разделяет входящий поток ПАВ на два выходящих потока с разными направлениями распространения. Один из этих потоков достигает другого кубита, который служит детектором. Детекторный кубит меняет свою энергию и частоту под действием ПАВ и излучает микроволновый сигнал, который регистрируется анализатором спектра.
Для демонстрации расщепления фононов ученые измеряли вероятность перехода детекторного кубита из состояния |0> в состояние |1> в зависимости от энергии и импульса возбуждающего ПАВ. Они обнаружили, что эта вероятность имеет два максимума, соответствующие двум выходным ПАВ с разными энергиями и импульсами. Это означает, что один входящий ПАВ расщепляется на два выходящих ПАВ с разными параметрами.
Таким образом, ученые впервые продемонстрировали расщепление фононов — квантов звука — на два или более фонона с разными энергиями и импульсами. Это явление нарушает классические законы сохранения, но не противоречит квантовой механике, которая допускает такое расщепление за счет неопределенности энергии и импульса частицы. Этот эксперимент открывает новые возможности для изучения квантовой природы звука и развития квантовых технологий. В частности, фононы могут быть использованы для передачи и обработки квантовой информации, создания квантовых сенсоров и метрологии, а также для реализации квантовых алгоритмов и симуляций.
Однако фононы — не простые частицы, а сложные объекты, которые подчиняются законам квантовой механики. В частности, фононы могут расщепляться на два или более фонона с разными энергиями и импульсами. Это явление нарушает классические законы сохранения энергии и импульса, которые запрещают такое расщепление. Как же это возможно? И как это можно доказать экспериментально? Эти вопросы ставили перед собой ученые из Университета Чикаго, которые провели уникальный эксперимент по расщеплению фононов с помощью поверхностных акустических волн и сверхпроводящих кубитов.
Для проведения эксперимента ученые использовали специальное устройство, которое позволяло возбуждать и детектировать поверхностные акустические волны (ПАВ) — звуковые волны, которые распространяются по поверхности твердого тела. ПАВ имеют очень высокую частоту — около 10 миллиардов герц — и очень маленькую длину волны — около 300 нанометров.
Для возбуждения ПАВ ученые использовали сверхпроводящий кубит — двухуровневая квантовая система, которая может находиться в суперпозиции двух состояний: |0> и |1>. Кубит можно перевести из одного состояния в другое с помощью микроволнового импульса. Когда кубит находится в состоянии |1>, он испускает ПАВ с определенной энергией и импульсом. Этот ПАВ достигает делителя пучка — устройство, которое разделяет входящий поток ПАВ на два выходящих потока с разными направлениями распространения. Один из этих потоков достигает другого кубита, который служит детектором. Детекторный кубит меняет свою энергию и частоту под действием ПАВ и излучает микроволновый сигнал, который регистрируется анализатором спектра.
Для демонстрации расщепления фононов ученые измеряли вероятность перехода детекторного кубита из состояния |0> в состояние |1> в зависимости от энергии и импульса возбуждающего ПАВ. Они обнаружили, что эта вероятность имеет два максимума, соответствующие двум выходным ПАВ с разными энергиями и импульсами. Это означает, что один входящий ПАВ расщепляется на два выходящих ПАВ с разными параметрами.
Таким образом, ученые впервые продемонстрировали расщепление фононов — квантов звука — на два или более фонона с разными энергиями и импульсами. Это явление нарушает классические законы сохранения, но не противоречит квантовой механике, которая допускает такое расщепление за счет неопределенности энергии и импульса частицы. Этот эксперимент открывает новые возможности для изучения квантовой природы звука и развития квантовых технологий. В частности, фононы могут быть использованы для передачи и обработки квантовой информации, создания квантовых сенсоров и метрологии, а также для реализации квантовых алгоритмов и симуляций.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
3700-летний вирус, спрятанный в средневековых книгах, только что убил 500 тысяч животных
Сколько еще патогенов дремлет в библиотечных хранилищах Европы и России, точно не скажет ни один ученый...
«Этого не должно происходить»: что ученые нашли в облаках Венеры
Там возможны абсолютно другие, просто невероятные формы жизни. И эксперименты это доказали...
Молилась и убивала: какой диагноз ставят Салтычихе психиатры и психологи?
Ученые говорят: феномен жестокости самой страшной помещицы России разгадан, но......
Супервспышка-1947: тогда Земля избежала триллиона бомб. Но успокоилось ли Солнце?
Астрофизики говорят, что нам очень повезло со звездой. Но шансы на глобальную катастрофу все-таки есть...
Карта 1587 года и Ноев ковчег: почему место совпало с раскопками на Арарате?
Длина «судна», кстати, тоже совпала, и это не может не настораживать...
«Выстрел» прямо в Землю: астрономы обнаружили черную дыру, выбрасывающую струю в сторону нашей планеты
Ученые рассказали, как это поможет разгадать важную космическую тайну...
Поделили Москву на «зоны влияния»: генетики рассказали, как живут крысиные «народы» столицы
Почему московские грызуны оказались «неуязвимыми мутантами» и зачем им реки для жизни?...
Камчатка 1000 лет назад: археологи заглянули в исчезнувший мир из космоса
Предков этих людей изгнало мощное извержение вулкана, но через столетия они вернулись в родные земли...
Жизнь за пределами Земли: что рассказала ученым межзвездная комета 3I/ATLAS?
Объект настолько древний, что его возраст крайне сложно представить. И это не единственная загадка пришельца из глубокого космоса...
Нашли тайную комнату в гробнице Тутанхамона: почему там может быть Нефертити?
Если гипотеза подтвердится, это будет крупнейшее археологическое открытие современной эпохи...
Астрономы поймали сигнал из космоса: пришельцы или помеха?
И почему главная проблема в том, что мы мастерски сами себе мешаем за пределами Земли?...
928 разбросанных костей в Гёбекли-Тепе: спустя 30 лет раскопок тайна древнейшего храма наконец-то раскрыта
Однако археологи признаются: от открытия им проще не стало. Напротив, все еще больше запуталось...
Черная смерть — двигатель прогресса: как эпидемия чумы в корне поменяла ход истории в Европе
Неожиданно: книгопечатание, отмена крепостного права, раскол западного христианства — это лишь немногие последствия пандемии...
Тихий океан стал вести странно: молодая вода быстро стареет, а старая, наоборот, молодеет. В чем причина?
Особенно страдает северная часть океана. Но и есть хорошая новость...
Не хуже Тутанхамона: почему сокровища забытых цариц из Ассирии поразили ученых?
Особенно загадочной оказалось гробница II, причем ее тайна до конца не раскрыта и по сей день...
Таинственные пещерные иероглифы в Мексике раскрывают давно потерянную письменность
Оказалось, что разгадки лучше всего искать не в городах, а на склонах гор в глуши...