En un estudio reciente, Investigadores de la Universidad de Colorado han resuelto estados de fonon Fock en el espectro de un qubit superconductor acoplado a una cavidad acústica multimodo. Los estados de Fock (o estados numéricos) son estados cuánticos con un número de partículas claramente definido. Estos estados juegan un papel crucial en la segunda formulación de cuantificación de la mecánica cuántica.

En su papel publicado en Revisión física X , los investigadores describen cómo acoplaron un qubit a ondas acústicas de superficie y diseñaron con éxito una dependencia de frecuencia aguda en la interacción qubit-fonón. La interferencia resultante de este proceso generó una estructura de frecuencia de alto contraste en la interacción qubit-fonón.

"Inspirado por el uso exitoso de qubits para controlar los estados cuánticos de la luz, queríamos explorar lo que podemos lograr al acoplar qubits al sonido, "Lucas Sletten, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Nos preguntamos:¿Es posible resolver que el sonido en un sólido es, De hecho, cuantificado? ¿Se puede utilizar el sonido para almacenar y procesar información cuántica? ¿Pueden estos cuantos de sonido en forma de partículas, llamados fonones, ser contados sin destruirlos? Si es así, ¿Podrías jugar este truco con más de un modo a la vez? Y de manera más general, ¿Qué es posible con el sonido que no se puede hacer con la luz? "

Sletten y sus colegas utilizaron un dispositivo compuesto por un qubit superconductor que interactúa fuertemente con fonones atrapados en una cavidad acústica. El dispositivo se colocó dentro de un resonador de microondas que sirve como sonda sensible del qubit. Esto permitió a los investigadores medir y controlar el qubit, mientras observa su interacción con fonones.

"Los fonones viven en un resonador acústico que funciona como un instrumento musical, pero a frecuencias 20 octavas por encima de la nota más alta de un piano, "Dijo Sletten." Como un instrumento, hay diferentes notas, o modos, que puede vivir dentro de nuestro resonador. El análogo eléctrico de un resonador multimodo de este tipo tendría muchos metros de largo y sería una pesadilla implementarlo en un chip ".

Un modo dentro del resonador corresponde a un número entero de ondas que encajan exactamente en la caja, o cavidad, que confina las ondas sonoras. Para sentir el movimiento de los fonones atrapados, Sletten y sus colegas conectaron el qubit al resonador acústico usando un transductor que transforma el movimiento en corriente eléctrica. Cuando el sonido se excita en su resonador, por lo tanto, el qubit ve una corriente que altera su energía.

"Diseñamos un sistema lo suficientemente sensible como para que incluso el sonido más silencioso permitido por la mecánica cuántica, un único fonón similar a una partícula, cambia la energía de nuestro qubit lo suficiente como para que nos demos cuenta, "Dijo Sletten." Además, esta detección no destruye los fonones que medimos. Podemos contar fonones no solo para un modo de la cavidad sino para varios, demostrando que podemos aprovechar al máximo nuestra cavidad multimodo ".

Los hallazgos reunidos por Sletten y sus colegas muestran que los qubits superconductores pueden interactuar con las ondas sonoras con la fuerza suficiente para revelar la naturaleza cuántica del sonido. sin que se produzca un intercambio directo de energía. Al alcanzar sensibilidades lo suficientemente altas como para romper una onda de sonido en partes cuantificadas, los investigadores se han acercado un paso más a lograr un excelente control cuántico de los sistemas acústicos.

"Otra idea de nuestro trabajo es que la lentitud del sonido puede ser un recurso valioso en la ingeniería de sistemas cuánticos, "Dijo Sletten." El tiempo que tarda un teléfono en rebotar entre los espejos es lo que permite que la cavidad admita múltiples modos. Adicionalmente, Aprovechamos un retraso largo insertado en el medio de nuestro transductor para controlar con precisión cómo interactúa el qubit con cada modo, una habilidad crucial para contar fonones en una cavidad multimodo ".

En el futuro, la investigación realizada por Sletten y sus colegas podría allanar el camino hacia el desarrollo de técnicas efectivas para controlar los estados cuánticos acústicos. Mientras tanto, los investigadores planean continuar explorando el uso de fonones en la ciencia cuántica.

Por ejemplo, les gustaría investigar si es posible entrelazar varios modos de fonones diferentes ('notas') basándose en su interacción compartida con un qubit. Si se confirma experimentalmente, esto probaría el enorme potencial de los fonones para aplicaciones de procesamiento de información cuántica.

"Los sistemas acústicos también son una interfaz prometedora entre diferentes plataformas cuánticas, como qubits superconductores, puntos cuánticos, y fotones ópticos, y también pueden resultar herramientas poderosas para investigar los tipos de física de superficies que pueden estar limitando algunas tecnologías cuánticas de vanguardia, "Añadió Sletten.

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