Los investigadores realizan experimentos que pueden sumar o restar un solo cuanto de sonido, con resultados sorprendentes cuando se aplican a campos de sonido ruidosos.

La mecánica cuántica nos dice que los objetos físicos pueden tener propiedades tanto de ondas como de partículas. Por ejemplo, una sola partícula, o cuanto, de luz se conoce como fotón, y, de una forma similar, un solo cuanto de sonido se conoce como fonón, que puede considerarse como la unidad más pequeña de energía sonora.

Un equipo de investigadores que abarca el Imperial College de Londres, Universidad de Oxford, el Instituto Niels Bohr, Universidad de Bath, y la Universidad Nacional de Australia han realizado un experimento que puede sumar o restar un único fonón a un campo de sonido de alta frecuencia utilizando interacciones con luz láser.

Los hallazgos del equipo ayudan al desarrollo de futuras tecnologías cuánticas, como los componentes de hardware en una futura 'Internet cuántica', y ayudar a allanar el camino para las pruebas de mecánica cuántica en una escala más macroscópica. Los detalles de su investigación se publican hoy en la prestigiosa revista Cartas de revisión física.

Para sumar o restar un solo cuanto de sonido, el equipo implementó experimentalmente una técnica propuesta en 2013 que explota las correlaciones entre fotones y fonones creados dentro de un resonador. Más específicamente, La luz láser se inyecta en un microrresonador cristalino que soporta tanto la luz como las ondas sonoras de alta frecuencia.

Luego, los dos tipos de ondas se acoplan entre sí a través de una interacción electromagnética que crea luz en una nueva frecuencia. Luego, restar un solo fonón, el equipo detecta un solo fotón cuya frecuencia se ha elevado. "La detección de un solo fotón nos da una señal lista para eventos de que hemos restado un solo fonón, "dice el autor principal del proyecto Georg Enzian.

Cuando el experimento se realiza a una temperatura finita, el campo de sonido tiene fluctuaciones aleatorias debido al ruido térmico. Por lo tanto, en cualquier momento, Se desconoce el número exacto de cuantos de sonido presentes, pero en promedio habrá n fonones inicialmente.

¿Qué sucede ahora cuando sumas o restas un solo fonón? Al primer pensamiento, puede esperar que esto simplemente cambie el promedio an + 1 o n - 1, respectivamente, sin embargo, el resultado real desafía esta intuición. En efecto, bastante contradictorio, cuando resta un solo fonón, el número medio de fonones en realidad asciende a 2n.

Este resultado sorprendente en el que se ha observado el número medio de cuántos dobles para experimentos de sustracción de fotones totalmente ópticos y se observa aquí por primera vez fuera de la óptica. "Una forma de pensar en el experimento es imaginar una máquina de garras que a menudo ves en las salas de videojuegos, excepto que no puede ver cuántos juguetes hay dentro de la máquina. Antes de aceptar jugar, le han dicho que en promedio hay n juguetes adentro, pero el número exacto cambia aleatoriamente cada vez que juega. Luego, inmediatamente después de un agarre exitoso con la garra, el número medio de juguetes en realidad sube a 2n, "describe Michael Vanner, Investigador principal del Laboratorio de Medición Cuántica del Imperial College de Londres.

Es importante tener en cuenta que este resultado ciertamente no viola la conservación de energía y se debe a las estadísticas de fonones térmicos.

Los resultados del equipo, combinado con su experimento reciente que informó un fuerte acoplamiento entre la luz y el sonido en un microrresonador, abrir un nuevo camino para la ciencia y la tecnología cuánticas con ondas sonoras.