Riassunto:
Un importante team di ricerca internazionale in fisica ha raggiunto una svolta fondamentale nel campo della fisica quantistica. Per la prima volta è stato osservato in laboratorio, in tempo reale e in modo non distruttivo, l'intero processo di un singolo fonone (il fonone, la più piccola unità base dell'energia sonora) dall'esistenza alla completa attenuazione e scomparsa. Questo risultato sperimentale non solo colma la lacuna di osservazione nella trasformazione reciproca tra onde sonore macroscopiche e meccanica quantistica microscopica, ma fornisce anche un nuovo paradigma sperimentale per la progettazione della futura architettura di calcolo quantistico e di sensori quantistici.
Nel mondo della fisica microscopica, la luce viene quantizzata sotto forma di fotoni, mentre il suono trasmesso dalla vibrazione collettiva degli atomi all'interno dei materiali solidi viene quantizzato in fononi. Sebbene la fisica moderna abbia da tempo previsto teoricamente e confermato indirettamente l’esistenza dei fononi, è estremamente difficile catturare e monitorare continuamente i cambiamenti dinamici dei singoli fononi negli esperimenti. I fononi sono estremamente suscettibili alle interferenze derivanti dalle fluttuazioni termiche ambientali e dalle vibrazioni meccaniche e la loro energia è estremamente debole. I metodi di misurazione tradizionali spesso li distruggono al momento del rilevamento, rendendo impossibile registrarne l’evoluzione.
Per superare questo problema, i ricercatori hanno costruito un sistema quantistico superconduttore ibrido altamente sensibile in un ambiente a temperatura estremamente bassa. Nell’esperimento, gli scienziati hanno utilizzato qubit superconduttori progettati con precisione come sonde non invasive per ottenere un forte accoppiamento con una singola modalità di vibrazione ad alta frequenza intrappolata in un microscopico risonatore acustico. In questa configurazione, il sistema può monitorare continuamente lo stato della cavità risonante acustica utilizzando la misurazione non distruttiva quantistica (QND), registrando così accuratamente la traiettoria microscopica di un singolo quanto sonoro che viene assorbito dal materiale e completamente dissipato in un punto temporale specifico senza distruggere il fonone stesso.
Gli esperti di fisica hanno affermato che la capacità di tracciare i singoli fononi in tempo reale indica che la ricerca sull'acustica quantistica (acustica quantistica) è entrata in una nuova fase di controllo ad alta precisione. I fononi hanno lunghezze d’onda più corte e ritardi di propagazione della luce estremamente bassi rispetto ai fotoni, il che li rende un mezzo ideale per connettere diversi sistemi quantistici come circuiti di spin e superconduttori. Padroneggiare il meccanismo microscopico di generazione, evoluzione e annichilazione dei fononi ha un valore scientifico di vasta portata e prospettive applicative per lo sviluppo di memorie quantistiche ad altissima densità basate su onde acustiche superficiali, superando il problema della decoerenza quantistica e sviluppando la prossima generazione di sensori quantistici altamente sensibili.
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