Ученые-физики из Стэнфордского университета создали устройство, которое можно назвать термином «квантовый микрофон», чувствительность которого достаточно высока для того, чтобы при его помощи можно было измерить параметры отдельных звуковых частиц, называемых фононами. Это новое устройство может стать основой новых видов квантовых датчиков, различных преобразователей и устройство хранения информации для будущих квантовых компьютеров.
Фонон — это своего рода частица, представляющая собой «пакет» вибрационной (звуковой) энергии, идея которой была предложена Альбертом Эйнштейном еще в 1907 году. Эти энергетические пакеты излучаются возбужденными атомами и они проявляются, как звук или тепло в зависимости от частоты их колебаний. Однако, количество вибрационной энергии, заключенной в одном фононе, не может быть любым, оно ограничено набором нескольких дискретных значений.
Энергия механических систем может быть представлена, как количество фононов с определенной энергией, которые может произвести эта система. Ученым известно, что если вибрационное энергетическое состояние системы, обозначаемое термином Fock, имеет значение 1, то в системе заключен один фонон. Естественно, что если значение Fock равно двум, то в системе заключено два фонона.
Именно на этом принципе и основана работа нового квантового микрофона, который, измеряя энергию своей системы, вычисляет количество фононов и, благодаря этому, может услышать даже «шепот» отдельных атомов. Квантовый микрофон представляет собой охлажденный до сверхнизкой температуры наномеханический резонатор, настолько маленький, что его можно увидеть только под электронным микроскопом. Этот резонатор подключен к общей схеме, использующей явление сверхпроводимости, внутри которой циркулируют пары связанных электронов, способные перемещаться, не встречая никакого сопротивления.
Вся структура микрофона формирует один квантовый бит, кубит, который может находиться в состоянии квантовой суперпозиции, т.е. пребывать в двух квантовых состояниях одновременно. Колебания, которые совершает резонатор этого кубита, происходят на резонансной частоте этого устройства и они являются носителем квантовой информации. Дефекты, искусственно созданные на поверхности резонатора в виде периодической структуры, выполняют роль «звукового зеркала», отражающего фононы к центру структуры резонатора, который представляет собой ловушку.
При некоторых режимах работы квантового микрофона он превращается в звуковой генератор, способный вырабатывать единичные фононы. Эта способность, в свою очередь, позволит создать микромеханические устройства, способные сохранять и воспроизводить квантовую информацию, закодированную в параметрах частиц звука. Кроме этого, подобные системы могут выступать в качестве преобразователей механических сигналов в оптические или наоборот, что можно будет использовать в оптических, электромеханических и нанотехнологиях следующих поколений.
