Resumo:
Uma importante equipe internacional de pesquisa em física alcançou um marco histórico no campo da física quântica. Pela primeira vez, observou todo o processo de um único fônon (Phonon, a menor unidade básica de energia sonora) desde a existência até a completa atenuação e desaparecimento em laboratório em tempo real e de forma não destrutiva. Este resultado experimental não apenas preenche a lacuna de observação na transformação mútua entre ondas sonoras macroscópicas e mecânica quântica microscópica, mas também fornece um novo paradigma experimental para o projeto da futura arquitetura de computação quântica e sensores quânticos.
No mundo da física microscópica, a luz é quantizada na forma de fótons, enquanto o som transmitido pela vibração coletiva dos átomos dentro de materiais sólidos é quantizado em fônons. Embora a física moderna tenha previsto há muito tempo teoricamente e confirmado indiretamente a existência de fônons, é extremamente desafiador capturar e rastrear continuamente as mudanças dinâmicas de fônons individuais em experimentos. Os fônons são extremamente suscetíveis à interferência de flutuações térmicas ambientais e vibrações mecânicas, e sua energia é extremamente fraca. Os métodos tradicionais de medição muitas vezes os destroem no momento da detecção, impossibilitando o registo da sua evolução.
Para superar esse problema, os pesquisadores construíram um sistema quântico supercondutor híbrido altamente sensível em um ambiente de temperatura extremamente baixa. No experimento, os cientistas usaram qubits supercondutores projetados com precisão como sondas não invasivas para obter um acoplamento forte com um único modo de vibração de alta frequência preso em um ressonador acústico microscópico. Nesta configuração, o sistema pode monitorar continuamente o estado da cavidade ressonante acústica usando medição quântica não destrutiva (QND), registrando assim com precisão a trajetória microscópica de um único quantum sonoro sendo absorvido pelo material e completamente dissipado em um ponto de tempo específico sem destruir o próprio fônon.
Especialistas em física disseram que ser capaz de rastrear fônons individuais em tempo real indica que a pesquisa em acústica quântica (Acústica Quântica) entrou em um novo estágio de controle de alta precisão. Os fônons têm comprimentos de onda mais curtos e atrasos de propagação de luz extremamente baixos do que os fótons, tornando-os um meio ideal para conectar diferentes sistemas quânticos, como circuitos de spin e supercondutores. Dominar o mecanismo microscópico de geração, evolução e aniquilação de fônons tem um valor científico de longo alcance e perspectivas de aplicação para o desenvolvimento de memórias quânticas de ultra-alta densidade baseadas em ondas acústicas de superfície, superando o problema da decoerência quântica e desenvolvendo a próxima geração de sensores quânticos altamente sensíveis.
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