Ajouter ou soustraire des quanta uniques de son –

La mécanique quantique nous dit que les objets physiques peuvent avoir à la fois des propriétés d’onde et de particule. Par exemple, une seule particule – ou quantum – de lumière est connue sous le nom de photon et, de la même manière, un seul quantum de son est connu sous le nom de phonon, qui peut être considéré comme la plus petite unité d’énergie sonore. .

Une équipe de chercheurs de l’Imperial College de Londres, de l’Université d’Oxford, du Niels Bohr Institute, de l’Université de Bath et de l’Australian National University a réalisé une expérience permettant d’ajouter ou de soustraire un seul phonon à un champ sonore haute fréquence en utilisant des interactions avec le laser. lumière.

Les résultats de l’équipe aident au développement de futures technologies quantiques, telles que les composants matériels dans un futur «Internet quantique», et aident à ouvrir la voie à des tests de mécanique quantique à une échelle plus macroscopique. Les détails de leurs recherches sont publiés aujourd’hui dans la revue Lettres d’examen physique.

Pour ajouter ou soustraire un seul quantum de son, l’équipe met en œuvre expérimentalement une technique proposée en 2013 qui exploite les corrélations entre photons et phonons créés à l’intérieur d’un résonateur. Plus spécifiquement, la lumière laser est injectée dans un microrésonateur cristallin qui supporte à la fois la lumière et les ondes sonores à haute fréquence.

Les deux types d’ondes se couplent alors entre eux via une interaction électromagnétique qui crée de la lumière à une nouvelle fréquence. Ensuite, pour soustraire un seul phonon, l’équipe détecte un seul photon dont la fréquence a été augmentée. «La détection d’un seul photon nous donne un signal prêt à l’événement que nous avons soustrait un seul phonon», déclare l’auteur principal du projet Georg Enzian.

Lorsque l’expérience est réalisée à une température finie, le champ sonore présente des fluctuations aléatoires dues au bruit thermique. Ainsi, à tout moment, le nombre exact de quanta sonores présents est inconnu mais en moyenne il y aura n phonons initialement.

Que se passe-t-il maintenant lorsque vous ajoutez ou soustrayez un seul phonon? À première vue, vous pouvez vous attendre à ce que cela change simplement la moyenne en n + 1 ou n – 1, respectivement, mais le résultat réel défie cette intuition. En effet, de façon assez contre-intuitive, lorsque vous soustrayez un seul phonon, le nombre moyen de phonons monte en fait à 2n.

Ce résultat surprenant où le nombre moyen de quanta double a été observé pour des expériences de soustraction de photons entièrement optiques et est observé pour la première fois en dehors de l’optique ici. “Une façon de penser à l’expérience est d’imaginer une machine à griffes que vous voyez souvent dans les arcades vidéo, sauf que vous ne pouvez pas voir combien de jouets il y a à l’intérieur de la machine. Avant d’accepter de jouer, on vous a dit que en moyenne, il y a n jouets à l’intérieur, mais le nombre exact change de manière aléatoire à chaque fois que vous jouez. Ensuite, immédiatement après une prise réussie avec la griffe, le nombre moyen de jouets monte en fait à 2n », décrit Michael Vanner, chercheur principal du Quantum Laboratoire de mesure à l’Imperial College de Londres.

Il est important de noter que ce résultat ne viole certainement pas la conservation de l’énergie et provient des statistiques des phonons thermiques.

Les résultats de l’équipe, combinés à leur expérience récente qui a rapporté un fort couplage entre la lumière et le son dans un microrésonateur, ouvrent une nouvelle voie pour la science et la technologie quantiques avec les ondes sonores.

Source de l’histoire:

Matériaux fourni par collège impérial de Londres. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.