Resumen:
Un equipo internacional de investigación en física de primer nivel ha logrado un avance histórico en el campo de la física cuántica. Por primera vez, ha observado en el laboratorio, en tiempo real y de forma no destructiva, el proceso completo de un único fonón (Phonon, la unidad básica más pequeña de energía sonora) desde su existencia hasta su completa atenuación y desaparición. Este resultado experimental no sólo llena el vacío de observación en la transformación mutua entre las ondas sonoras macroscópicas y la mecánica cuántica microscópica, sino que también proporciona un nuevo paradigma experimental para el diseño de la futura arquitectura de computación cuántica y sensores cuánticos.
En el mundo de la física microscópica, la luz se cuantifica en forma de fotones, mientras que el sonido transmitido por la vibración colectiva de los átomos dentro de materiales sólidos se cuantifica en fonones. Aunque la física moderna ha predicho teóricamente y confirmado indirectamente durante mucho tiempo la existencia de fonones, es extremadamente difícil capturar y rastrear continuamente los cambios dinámicos de fonones individuales en experimentos. Los fonones son extremadamente susceptibles a la interferencia de fluctuaciones térmicas ambientales y vibraciones mecánicas, y su energía es extremadamente débil. Los métodos de medición tradicionales suelen destruirlos en el momento de su detección, imposibilitando registrar su evolución.
Para superar este problema, los investigadores construyeron un sistema cuántico superconductor híbrido altamente sensible en un entorno de temperatura extremadamente baja. En el experimento, los científicos utilizaron qubits superconductores diseñados con precisión como sondas no invasivas para lograr un fuerte acoplamiento con un único modo de vibración de alta frecuencia atrapado en un resonador acústico microscópico. En esta configuración, el sistema puede monitorear continuamente el estado de la cavidad resonante acústica mediante medición cuántica no destructiva (QND), registrando así con precisión la trayectoria microscópica de un único cuanto de sonido absorbido por el material y disipado por completo en un momento específico sin destruir el fonón en sí.
Los expertos en física dijeron que poder rastrear fonones individuales en tiempo real marca que la investigación en acústica cuántica (Quantum Acoustics) ha entrado en una nueva etapa de control de alta precisión. Los fonones tienen longitudes de onda más cortas y retrasos de propagación de la luz extremadamente bajos que los fotones, lo que los convierte en un medio ideal para conectar diferentes sistemas cuánticos, como circuitos superconductores y de espín. Dominar el mecanismo microscópico de generación, evolución y aniquilación de fonones tiene un valor científico de gran alcance y perspectivas de aplicación para desarrollar memorias cuánticas de densidad ultraalta basadas en ondas acústicas superficiales, superar el problema de la decoherencia cuántica y desarrollar la próxima generación de sensores cuánticos altamente sensibles.
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