Kategóriák Tech

Egy kvantum mikrofonnal képesek voltak megszámolni a hang részecskéit

A Stanford Egyetem fizikusai kifejlesztettek egy “kvantum mikrofont”, ami annyira érzékeny, hogy képes fonononként – a hangot alkotó részecskék – mérni a hangot.

A kutatók szerint a berendezés optimalizálásokat követően, akár a kvantum számítógépek hatásfokán is képes lehet javítani azzal, hogy a működéshez szükséges fényt hangra cseréli.

Ezen felül a kutatást vezető Amir Safavi-Naeini szerint a technológiát érzékelőkhöz, átalakítókhoz és adattárolókhoz is fel lehet használni.

A fononok elképzelése Albert Einstein-hez köthető, aki először 1907-ben írt le az atomok rezgése során kibocsátott energia csomagjaiként a fononokat, amelyek frekvenciájuktól függően hang vagy hő formájában jelennek meg.

A fotonokhoz hasonlóan a fononok is kvantálhatóak, vagyis a rezgési energiájuk diszkrét értékekre korlátozódik, ez a hang gyors terjedése miatt fülünkkel nem tudjuk érzékelni.

A mechanikus rendszerek energiáját csoportokba lehet rendezni aszerint, hogy azok mennyi fonont hoznak létre – és ezáltal milyen hangos hangot állítanak elő. Azonban eddig a kutatóknak nem sikerül közvetlenül megmérniük egyes fononok állapotát – mivel energiájuk egy átlagos villanykörte egy másodpercig tartó égéséhez szükséges energiájának tíz billiomod részének a billiomod része.

Hogy megoldást találjanak a problémára a Stanford csapata nekiállt elkészíteni a világ legérzékenyebb mikrofonját, ami kvantum részecskék segítségével hallgatja le az atomok hangját.

Egy hagyományos mikrofonnál a beérkező hanghullámok egy belső membránt rezgetnek, aminek fizikai elváltozását mérhető feszültséggé alakítják. Ez a módszer a fononok állapotának kimutatására nem alkalmas, mivel a Heisenberg határozatlansági reláció szerint egy kvantum test pozíciója nem ismerhető pontosan anélkül, hogy abba változást idéznénk elő.

Ebben az esetben magával a fotonok számának hagyományos módszerekkel történő mérésével energia jutna a rendszerbe, ami miatt nem lehetne pontosan meghatározni, hogy ebből az energiából mennyit alkotnak fononok.

Ezért a kutatók egy olyan módszert dolgoztak ki, amivel az úgynevezett Fock állapotot és ezáltal a fononok számát közvetlenül tudják meghatározni. Ez a módszer nagy előnye az, hogy nem ütközik kvantum mechanikai alapelvekbe.

Az elméletet felhasználó kvantum mikrofonokat több sornyi szuperhideg nanomechanikai rezonátorból állították elő. Ezeket a rezonátorokat egy szupravezető áramkörhöz kapcsoltak, amiben az elektron párok ellenállás nélkül tudnak utazni. Mindezzel egy kvantum bitet kapnak, ami képes egyszerre két állapotban is létezni és rendelkezik egy természetes frekvenciával, amit elektronikus úton ki lehet olvasni.

A rezonátorok azt a szerepet töltik be, hogy csapdába ejtik a beérkező fononokat, melyek bent mechanikus rezgéseket keltenek, amelyek változást a kvantum bitekkel lehet kimutatni.

Amíg a kvantum bitek érzékenysége akkor a legnagyobb, amikor frekvenciájuk egybeesik a rezonátor frekvenciájával, addig a kutatók a két frekvencia eltávolításával legyengítették a mechanikus kapcsolatot és a kvantum kölcsönhatást hoztak létre, ami közvetlenül összeköti a kvantum bitet és a fononokat.

Ez azt eredményezte, hogy a kvantum bit frekvenciájának változásából kiolvasható volt a rendszerbe került fononok száma. Ezzel párhuzamosan a kutatók a változásokból a kvantált energia szinteket is ki tudták mutatni – ezáltal pedig a fononok állapotát.

A csapat szerint ez a technológia olyan kvantum berendezéseket eredményezhet, amelyek képesek adatokat tárolni hang részecskék formájában, vagy pedig átmenetet képezhetnek az optikai és a mechanikus jelek között.

Az elméletek szerint a fononok könnyebb manipulálhatósága és a fotonokhoz viszonyított lényegesen alacsonyabb frekvenciájuk miatt, ezek a berendezések sokkal hatékonyabbak lehetnek, mint a fotonokon alapuló társaik és egy lépéssel közelebb hozhatja a ‘mechanikus kvantum mechanikus’ számítógépet.

Forrás: nature.com

Megosztás

Legutóbbi tartalom

Hanggal és fénnyel együtt értek el hatalmas adatátviteli sebességet

Kutatók áttörést értek el a terahertz-es kvantum lézerek terén, melyekkel így már akár 100 Gbit/s-es adatátviteli sebességet is el tudtak…

2020-02-18

Megfelelő stimulációval is ‘felébreszthető’ az öntudat

Az idegtudomány egyik központi kérdése, hogy mi is az öntudat és hogy az agy mely részéből ered. Egy új kutatás…

2020-02-18

Már karnyújtásnyira van a fotoszintézis teljes megértése

A növények már több száz millió éve nyerik éltető energiájukat a napból, viszont az algák és a fotoszintetizáló baktériumok még…

2020-02-11

Az egyik eddigi legnagyobb rákkutató projekt megmutatja milyen mutációk állnak a betegségek mögött

Egy hatalmas nemzetközi tanulmány keretében rögzítik a rákos megbetegedések kiváltó okait, ezzel azt célozva, hogy olyan DNS hibákat tudjanak kimutatni,…

2020-02-11

A Föld keringési pályájának megváltozása is komoly szerepet játszott a tömeges kihalásokban

Egyre biztosabbak vagyunk benne, hogy a globális klímaváltozás mögött az emberi tevékenységek hatásai rejlenek és ezzel fokozatosan közelítünk a hatodik…

2020-02-11

Egyes darazsak képesek az arcfelismerésre

Egy darázs faj tagjai képesek megkülönböztetni társaikat az arcuk alapján. Ez a rovarok körében rendkívül ritka és a faj csoportos…

2020-02-03

Ez a weboldal cookie-kat használ.

Elolvasom