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.