Elcsípték egy atom hangját

A mesterséges atomok apró rezgései - a fononok - könnyebben kezelhetőek lehetnek a kvantumszámítógépekben, mint a jelenleg használt fényrészecskék.

Bár még nincsenek igazi kvantumszámítógépek, a jelenlegi prototípusok nagy része csapdába ejtett ionokat vagy fotonokat használ kvantumbitként. A fotonok gyakran nehezen kezelhetőek, hiszen rettentő kicsik és gyorsak, nehéz azokat megzabolázni, nehéz rájuk kvantuminformatikát építeni. A Columbia Egyetem és a svéd Chalmers Műszaki Egyetem kutatói ezért azt javasolják, hogy a fotonok helyét vegyék át inkább a lassabb, könnyebben kezelhető fononok.

A fononok úgynevezett kvázirészecskék - valójában atomok rezgési állapotait jelentik. A fotonokkal való névrokonság onnan ered, hogy mindkettő energiakülönbségeket közvetít. Egy elektron meghatározott energiaállapotai közti különbség kisugározható egy foton, azaz egy fényrészecske formájában. A fononok viszont atomok gerjesztéséhez és azok energiaszintjeihez kapcsolódnak. Ezek nem valódi részecskék, csak ugyanúgy viselkednének, mintha azok lennének. Átvitt értelemben az elektronok fotonokkal kommunikálhatnak, az atomok pedig a fononoknak köszönhetően hanggal.

Atomok lehallgatása: jobb oldalt a mesterséges atom, bal oldalt pedig a hullámokat hallgató "mikrofon" Forrás: Philip Krantz/Krantz NanoArt

"A hang amplitudója, azaz ereje nagyon kicsi" - magyarázza Göran Johansson, a Science-ben megjelent tudományos cikk egyik szerzője. A kutatócsoport mesterséges atomokat gerjesztett, így próbálta ezeket "éneklésre" bírni, majd megpróbálták meghallgatni a rezgéseket. Ezek rettentő kicsi jelek, ráadásul nem a levegőben terjednek, hanem felületeken, így emberi füllel még erősítve sem hallhatóak. Esetükben a rezgések ráadásul nem egyetlen atomhoz tartoznak, hanem úgynevezett felületi akusztikus hullámokból (SAW-okból) állnak. Ezek a SAW-ok már korábban is hasznosnak bizonyultak, képesek például elektronokat szállítani félvezetőkben. A kutatók számára inkább a felületi hullámok kvantummechanikai viselkedése a fontos.

"Az elméletek szerint az atomokból származó hang kvantummechanikai részecskékre bontható. Egy ilyen részecske a létező leghalkabb [még detektálható] hang" - állítja Martin Gustafsson, a csoport vezetője. A "hangkvantumok" százezerszer lassabban terjednek a fénynél, így könnyebb azokat elkapni. Hullámhosszuk és frekvenciájuk pedig alkalmassá teszi őket arra, hogy az atomoknál nagyobb objektumokkal is kapcsolatba léphessenek. A kísérletben használt frekvencia egy zenei D hang 28. oktávjának felel meg.

Így néz ki a mesterséges atom mikroszkóp alatt Forrás: Chalmers/Martin Gustafsson and Maria Ekström

A felületi akusztikus hullámokat tehát egy mesterséges atomhoz kapcsolták, amelynek így ez lett az elsődleges kommunikációs eszköze. Olyan ez, mintha egy telefont adtak volna a mesterséges atom kezébe, a vonal másik végén pedig a kutatók ülnének. Ez átvitt értelemben összeköttetés a klasszikus és a kvantumfizikai világ között. Egy ilyen kapcsolat általában nagyon körülményes, mivel a törékeny kvantummechanikai viselkedést roppant nehéz klasszikus fizikai mérésekkel vizsgálni. A kvantumfizika nagyon érzékeny a mérettartományokra is, csak egy-két jól elkülönített atomnál működik megfelelően. Így nagy előrelépés, hogy egy mikrochip felületére ültetett, viszonylag nagy méretű mesterséges atommal is sikerült a furcsa jelenségeket produkálni.

A mesterséges atomból és felületi akusztikus hullámokból álló rendszer feltehetőleg alkalmas lehet kvantumszámítógépek építésére. Mivel kevésbé sérülékenyek mint a fotonok és a csapdába ejtett ionok, így a gyakorlatban hasznosabbak is lehetnének náluk. Jelenleg még jól viselkednek, de nem biztos, hogy a mesterséges atomok minden szempontból ugyanazokkal a tulajdonságokkal rendelkeznek mint valódi társaik.