Un microfono quantistico è un dispositivo estremamente sensibile che rileva le più piccole particelle di suono, come i pacchetti di energia vibrazionale chiamati fononi.
Annunciato nel luglio 2019 e sviluppato dai ricercatori della Stanford University, il dispositivo potrebbe portare allo sviluppo di computer quantistici più piccoli che sono più efficienti perché funzionano manipolando il suono piuttosto che le particelle di luce (fotoni). I fononi sono molto più facili da controllare rispetto ai fotoni luminosi e le loro lunghezze d'onda sono migliaia di volte più piccole delle particelle di luce. Utilizzando questo metodo, i ricercatori ritengono di aver compiuto un passo importante nella creazione di un computer "meccanico quantistico".
I ricercatori si aspettano che il microfono quantistico abiliti nuovi tipi di sensori quantistici, trasduttori e dispositivi di memorizzazione per le future macchine quantistiche che potrebbero memorizzare enormi quantità di informazioni in spazi molto più piccoli rispetto all'utilizzo di fotoni.
Ad oggi, non è stato possibile misurare i fononi perché i normali microfoni non sono abbastanza sensibili per raccoglierli.
Come il microfono quantistico misura il suono
Un microfono tradizionale funziona rilevando quando un suono in ingresso interagisce con una membrana interna e lo spostamento fisico viene convertito in una tensione che può essere misurata.
Tuttavia, i fononi sono così piccoli che non possono essere rilevati individualmente a causa del principio di indeterminazione di Heisenberg, che afferma che la posizione di un oggetto quantistico non può essere conosciuta con precisione senza cambiarla. Secondo i ricercatori, provare a misurare il numero di fononi con un normale microfono non è possibile poiché l'atto di misurare introduce energia nel sistema che nasconde l'energia esatta che tenta di essere misurata.
Anziché utilizzare misurazioni delle onde acustiche, gli scienziati hanno sviluppato un dispositivo che misura direttamente l'energia dei fononi utilizzando risonatori nanomeccanici super raffreddati molto piccoli. Questi risonatori, che sono visibili solo attraverso un microscopio elettronico, agiscono come specchi per il suono. Il microfono quantistico cattura i fotoni e misura le vibrazioni che emettono: vari livelli di energia corrispondono a vari numeri di fononi.
Storia
Nel 2012, gli scienziati della Chalmers University of Technology in Svezia hanno dimostrato un dispositivo chiamato microfono quantistico in grado di captare suoni molto deboli. Il dispositivo era basato su un singolo transistor elettronico (la corrente elettrica può fluire attraverso questo transistor solo un elettrone alla volta).
Il team di ricerca di Chalmers ha studiato le onde acustiche che si sono propagate sulla superficie di un microchip cristallino, imitando le increspature su un lago quando qualcuno vi getta un sassolino. Anche se la lunghezza d'onda del suono era di soli tre micrometri, il dispositivo, che era ancora più piccolo, era in grado di rilevare rapidamente le onde acustiche mentre passavano.
"Il risultato offre prospettive di una nuova classe di circuiti ibridi quantistici che mescolano elementi acustici con quelli elettrici e possono aiutare a illuminare nuovi fenomeni della fisica quantistica", secondo l'università. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Physics.