Балансирование на грани квантово режима
Teetering on the brink of the quantum regime
Прослушивание «квантовым ухом»
Физики очень хорошо проводят измерения с единичными фотонами света. Вскоре, однако, они могут сделать обычными исследования одиночных фононов — квантов звука. Это заявляют физики из Швеции и Германии, которые говорят, что они обнаружили звуковые волны настолько слабые, что они почти на квантовом пределе.
В последние годы заметны большие усилия, чтобы работать с механическими колебаниями в квантовом режиме. В таком режиме, механические устройства могли бы как излучать, так и как обнаруживать отдельные фононы - так же, как оптико-электронные приборы уже способны излучать и обнаруживать одиночные фотоны. В 2010 году группа исследователей из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре, США, продемонстрировала, что можно создавать единичные фононы, используя криогенно охлажденный механический осциллятор, сделав тем самым первый шаг к квантовой акустике.
Подходя к квантовому пределу
Недавно Мартин Густафссон (Martin Gustafsson) из Технологического университета Чалмерса в Швеции и его коллеги изучали акустические волны на почти квантовом пределе, с помощью устройства, которое они называют квантовый микрофон. В отличие от механических колебаний, исследуемых группой в Санта-Барбаре, акустические волны,- это волны, распространяющиеся по поверхности, как рябь распространяется на воде. Именно эти акустические волны не проявляют квантово-механического поведения, хотя они чрезвычайно слабы, чтобы оказаться в квантовом пределе. «Можно сказать, что мы показали путь к квантовой акустике, и я думаю, что другие согласятся, что это очень захватывающая перспектива», говорит Густафссон.
Экспериментальная установка состоит из длинных, тонких чипов из полупроводника арсенида галлия, на концах, которых преобразователи, генерируют звуковые волны. Арсенид галлия является пьезоэлектриком, поэтому любые деформации ее структуры, вызванные акустическими волнами приводят к изменению электрической поляризации. Эта поляризация,- незначительные движения электронов, обнаруживается с помощью одноэлектронного транзистора - квантового микрофона, который находится посреди арсенид-галлиевого чипа. Весь аппарат охлаждается до 200 мК.
Тест на эхо
Густафссон и его коллеги из Чалмерс и Пал Друде (Paul Drude) из института в Берлине использовали один из преобразователей для создания акустических волн на частоте 932 МГц. Эти волны распространяются к одному конца чипа, а затем обратно. Таким образом, волны эхо распространяются туда и обратно несколько раз, все время перемещая электроны через транзистор. Используя это электронное движение как посредник, и усредняя по миллионам проходов, транзистор может эффективно обнаруживать акустические волны на однофононном уровне, утверждают исследователи. Амплитуда волны составляет всего несколько процентов от диаметра протона.
Конрад Ленерт (Konrad Lehnert), эксперт в области квантового поведения электромеханических схем из Университета Колорадо в Боулдере, США, считает, что работа имеет перспективу. Но он считает, что изучение истинной квантовой акустики все еще далеко. «Провозглашение однофононной чувствительности, откровенно говоря, преувеличено», говорит он. «Сказать, что можно обнаружить отдельные фононы после усреднения это сказать, что никто не может обнаружить одиночные фононы».
Связь кубитов
Густафссон соглашается, что исследования его группы по-прежнему находятся твердо в классическом режиме. Ведь, по его словам, исследователи должны усреднять сигнал от миллионов акустических волн, чтобы исключить шум, и каждый волновой пакет сам по себе часто содержит не один, а несколько фононов - большая часть волнового пакета проходит рядом с транзистором незамеченной. Тем не менее, в его группе есть идеи по созданию акустических фононов, с помощью сверхпроводящего «кубита» на пару с волнами движения заряда, который работает подобно тому, как транзистор.
«Мы сравниваем такой эксперимент с опытами, которые были сделаны совсем недавно с одиночными микроволновыми фотонами, и думаем, что должно быть возможным сделать акустические версии этого», говорит Густафссон.