Kwantummicrofoon

Een kwantummicrofoon is een extreem gevoelig apparaat dat de kleinste geluidsdeeltjes detecteert, zoals pakketjes trillingsenergie die fononen worden genoemd.

Het apparaat, dat in juli 2019 werd aangekondigd en is ontwikkeld door onderzoekers van de Stanford University, zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van kleinere kwantumcomputers die efficiënter zijn omdat ze werken door geluid te manipuleren in plaats van lichtdeeltjes (fotonen). Fononen zijn veel gemakkelijker te controleren dan lichtfotonen en hun golflengte is duizenden keren kleiner dan lichtdeeltjes. Met deze methode denken de onderzoekers een belangrijke stap te hebben gezet in de richting van een 'mechanische quantummechanische' computer.

De onderzoekers verwachten dat de quantummicrofoon nieuwe soorten quantumsensoren, -transducers en -opslagapparaten mogelijk zal maken voor toekomstige quantummachines die enorme hoeveelheden informatie kunnen opslaan in veel kleinere ruimten dan wanneer fotonen worden gebruikt.

Tot nu toe was het niet mogelijk om fononen te meten, omdat gewone microfoons gewoon niet gevoelig genoeg zijn om ze op te pikken.

Hoe de quantummicrofoon geluid meet

Een traditionele microfoon werkt door te detecteren wanneer een inkomend geluid interageert met een intern membraan en de fysieke verplaatsing wordt omgezet in een spanning die kan worden gemeten.

De fononen zijn echter zo klein dat ze niet afzonderlijk kunnen worden gedetecteerd vanwege het Heisenberg Onzekerheidsprincipe, dat stelt dat de positie van een quantumobject niet precies kan worden bepaald zonder het te veranderen. Volgens de onderzoekers is het niet mogelijk om het aantal fononen met een normale microfoon te meten, omdat bij het meten energie in het systeem wordt gebracht die de precieze energie die moet worden gemeten, verhult.

In plaats van metingen met akoestische golven te gebruiken, hebben de wetenschappers een apparaat ontwikkeld dat de energie van fononen rechtstreeks meet met behulp van zeer kleine, supergekoelde nanomechanische resonatoren. Deze resonatoren, die alleen zichtbaar zijn door een elektronenmicroscoop, fungeren als spiegels voor geluid. De quantummicrofoon vangt de fotonen op en meet de trillingen die ze uitzenden - verschillende energieniveaus komen overeen met verschillende aantallen fononen.

Geschiedenis

In 2012 demonstreerden wetenschappers van de Chalmers University of Technology in Zweden een apparaat dat ze een quantummicrofoon noemden en dat zeer zwakke geluiden kon opvangen. Het apparaat was gebaseerd op een transistor met één elektron (de elektrische stroom kan maar één elektron tegelijk door deze transistor laten lopen).

Het onderzoeksteam van Chalmers bestudeerde akoestische golven die zich voortplantten over het oppervlak van een kristallijne microchip, waarbij de rimpelingen op een meer werden nagebootst wanneer iemand er een steentje in gooit. Hoewel de golflengte van het geluid slechts drie micrometer was, was het apparaat, dat nog kleiner was, in staat om de akoestische golven snel te detecteren terwijl ze passeerden.

"Het resultaat biedt uitzicht op een nieuwe klasse van kwantum-hybride schakelingen die akoestische elementen mengen met elektrische, en kan nieuwe fenomenen van de kwantumfysica helpen belichten," aldus de universiteit. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics.