Зарядовый кубит помог впервые увидеть кванты звука

Американскими физиками были впервые увидены фононы – кванты звуковых колебаний микро метровой алюминиевой мембраны. Для того, чтобы достичь данных результатов, ученым пришлось связать мембраны с зарядовыми кубитами и измерить получившиеся спектры. Стоит отметить, что ученые продемонстрировали визуально, что их установка позволяет управлять одновременно всеми фононами, которые находятся непосредственно на самой мембране.

Звук-квазичастицы-фононы

Звук – это волны, которые воспроизводятся за счет проведения механических колебаний. Волны распространяются в упругих средах, таких как дерево, вода, воздух. Как и многие другие волны, звуковые волны можно также описать с помощью специальных частиц – квазичастиц. Квазичастицы-кванты ­- это и есть фононы. Обращаем внимание, что фононы не стоит путать с фотонами – это не одно и то же.
В состав звуковых волн обычно входит большое количество фононов, и применяя обычные приборы, их практически невозможно различить. Но, если систему охладить, то при воздействии очень низких температур волны замерзнут, и число фононов сократится. Следовательно, по средней энергии их можно будет отследить и связать с импульсами или координатами колеблющихся частей всей системы.
Но, стоит отметить, что до сегодняшнего дня физикам так и не удалось определить точное число фононов в квантовой системе. Но физики попытались измерить данные показатели, используя осциллятор, и связали его через линейное взаимодействие с внешним миром. Один из применяемых способов – это использовать сверхпроводной зарядовый кубит. Именно кубиты помогли хоть и не увидеть отдельно фонон, но оценить их среднее количество.

Группа экспертов под управлением Джереми Венно (Jeremie Viennot) в первый раз заметила единичные кванты колебаний механического осциллятора и начала регулировать их количество. В качестве осциллятора физики предпочли небольшую алюминиевую мембрану (приблизительно 10 микрометров в диаметре) с резонансной частотой колебаний приблизительно 25 мгц, охлажденную до температуры порядка 0,01 кельвина. Совместно с подсоединенными электродами данная мембрана составляла конденсатор, вместимость которого менялась при смещении середины мембраны (при автоматических колебаниях). К вышедшему конденсатору эксперты подключили ресурс непрерывного тока с напряжением приблизительно 6 вольт, что навел на его обкладках непрерывный постоянный заряд. В период колебаний мембраны данный запас перемещался, и систему можно было расценивать как электрогенератор низкого переменчивого тока. Данный электроток эксперты вывели на зарядовый кубит с резонансной частотой приблизительно 3,8 гигагерц; для того, чтобы уберечь кубит с наружных зарядов, физики разместили его в копланарный волноводный резонатор. В итоге, резонансная частота кубита немного сдвигалась, и по величине данного сдвига возможно было рассуждать о количестве фононов, «проживающих» в мембране. Эксперты отмечают, что мембрана и кубит были очень сопряжены.

Таким образом, диапазон кубита, по сути, создавал диапазон фононов.