Вы не можете разделить неделимое, если не используете квантовую механику. Физики теперь обратились к квантовым эффектам, чтобы расщепить фононы, мельчайшие частицы звука, сообщают исследователи в журнале Science.
Это прорыв, который отражает своего рода квантовые странности, которые обычно демонстрируют свет или крошечные частицы, такие как электроны и атомы. Достижение может однажды привести к звуковым версиям квантовых компьютеров или чрезвычайно чувствительным измерительным устройствам.
«Не было никого, кто действительно исследовал это», — говорит инженер-физик Эндрю Клеланд из Чикагского университета. Это позволяет исследователям «проводить параллели между звуковыми волнами и светом».
Фононы имеют много общего с фотонами, мельчайшими частицами света. Уменьшить громкость звука — это то же самое, что уменьшить количество фононов, подобно тому, как приглушение света уменьшает количество фотонов. Самые тихие звуки состоят из отдельных — и неделимых — фононов.
В отличие от фотонов, которые могут путешествовать в пустом пространстве, фононам нужна среда, такая как воздух или вода, или, в случае нового исследования, поверхность эластичного материала.
«Что действительно удивительно, на мой взгляд, так это то, что эти звуковые волны [переносят] очень, очень небольшое количество энергии, потому что это один квант», — говорит Эндрю Клеланд.
Фононы не могут быть постоянно разбиты на более мелкие биты. Но, как показал новый эксперимент, их можно временно разделить на части с помощью квантовой механики.
Клеланд и его команда добились успеха с помощью акустического делителя луча, устройства, которое пропускает около половины набегающего потока фононов, в то время как остальные отражаются обратно. Но когда только один фонон за раз встречает светоделитель, этот фонон входит в особое квантовое состояние, в котором он движется в обоих направлениях одновременно. Одновременно отраженный и переданный фонон взаимодействует сам с собой в процессе, известном как интерференция, чтобы измениться там, где он в конечном итоге окажется.
Лабораторная демонстрация эффекта основывалась на звуке в миллионы раз выше, чем люди могут слышать, в устройстве, охлажденном до температуры, близкой к абсолютному нулю. Вместо динамиков и микрофонов для создания и прослушивания звука команда использовала кубиты, в которых хранятся квантовые биты информации. Исследователи запустили фонон от одного кубита к другому кубиту. По пути фонон столкнулся с светоделителем.
Настройка параметров установки изменила способ взаимодействия отраженной и прошедшей частей фонона друг с другом. Это позволило исследователям квантово-механически изменить вероятность того, что весь фонон вернется обратно к кубиту, который запустил фонон, или к кубиту по другую сторону светоделителя.
Второй эксперимент подтвердил квантово-механическое поведение фононов, отправив фононы из двух кубитов в светоделитель между ними. Каждый фонон сам по себе может вернуться к тому кубиту, из которого он пришел, или к кубиту, находящемуся на противоположной стороне светоделителя.
Однако, если фононы должны были прибыть к светоделителю в одно и то же время, они путешествуют вместе к своему конечному пункту назначения. То есть они по-прежнему непредсказуемо направляются к тому или иному кубиту, но всегда оказываются в одном и том же кубите, когда два фонона одновременно попадают в светоделитель.
Если бы фононы следовали классическим, неквантовым правилам звука, то не было бы корреляции в том, куда идут два фонона после попадания в светоделитель. Этот эффект может послужить основой для фундаментальных строительных блоков квантовых компьютеров, известных как гейты.
