“Microfone quântico” é tão sensível que mede partículas individuais de som chamadas fônons

Por , em 29.07.2019

Físicos da Universidade de Stanford (EUA) desenvolveram um “microfone quântico” tão sensível que ele consegue medir partículas individuais do som. Essas partículas são chamadas fônons, pacotes indivisíveis de energia vibracional emitida por átomos agitados.

O estudo foi descrito em um artigo publicado na revista Nature, de poderá ajudar na criação de computadores quânticos mais eficientes que trabalham com o som ao invés da luz.

“Nós esperamos que este equipamento permita novos tipos de sensores quânticos, transdutores e dispositivos de armazenamento para futuras máquinas quânticas”, diz o pesquisador principal, Amir Safavi-Naeini, professor de física aplicada em Stanford.

Os fônons foram propostos pela primeira vez por Albert Einstein em 1907. Esses pacotes de energia se manifestam como som ou calor, dependendo de sua frequência. Assim como fótons, que carregam a luz, os fônons podem ser quantificados.

Em nível quântico, o fônon tem granulações que não são experimentadas naturalmente. O nível de energia de cada sistema quântico pode ser representado por diferentes estados “Fock” – 0, 1, 2, 3, e por aí vai – com base no número de fônons que ele gera. Por exemplo, um “estado Fock 1” tem um fônon de uma energia particular, um “estado Fock 2” consiste em dois fônons com a mesma energia, e assim por diante. Estados maiores de fônons correspondem a sons mais altos.

Até agora cientistas não conseguiam medir estados de fônons porque a energia dessas estruturas são minúsculas, mas agora os pesquisadores de Stanford criaram o microfone mais sensível do mundo. Este microfone consegue captar os sussurros dos átomos.

Em microfones normais, as ondas de som balançam uma membrana interna, e esse movimento é convertido para uma voltagem que pode ser medida. Essa técnica não funciona para detectar fônons individuais porque a posição de um objeto quântico não pode ser conhecida com precisão sem alterá-la.

“Se você tentasse medir o número de fônons com um microfone normal, o ato de medir injetaria energia no sistema, o que mascara a energia que você está tentando medir”, explica Safavi-Naeini. Ao invés disso, os físicos medem os estados Fock diretamente.

Microfone quântico

O microfone quântico que o grupo desenvolveu consiste de uma série de ressonadores nanoquímicos superresfriados, tão pequenos que eles só podem ser vistos com um microscópio eletrônico. Os ressonadores são equipados com um circuito supercondutor que contém pares de elétrons que se movem sem resistência. O circuito forma um bit quântico, ou qubit, que existe em dois estados ao mesmo tempo e tem frequência natural, que pode ser lida eletronicamente. Quando os ressonadores mecânicos vibram, eles geram fônons em estados diferentes.   

Computadores quânticos

Gerar e detectar fônons pode ajudar a abrir caminho para um novo tipo de equipamento quântico que pode armazenar e acessar informação codificada como partículas do som ou que podem converter perfeitamente sinais ópticos e mecânicos.

Esses equipamentos podem ficar muito menores e mais eficientes do que as máquinas quânticas que usam fótons, já que fônons são mais fáceis de serem manipulados e têm comprimento de ondas milhares de vezes menores que as partículas de luz. “Atualmente as pessoas usam fótons para codificar esses estados. Nós queremos usar fônons, que traz muitas vantagens. Nosso equipamento é um passo importante em direção a construir um computador ‘mecânico quântico mecânico’”, diz Safavi-Naeini. [Phys.org]

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