Stanford Üniversitesi Beşeri Bilimler ve Bilim Okulu'nda uygulamalı fizik profesörü ve aynı zamanda çalışma lideri olan Amir Safavi-Naeini, “Bu cihazın gelecekteki kuantum makineleri için yeni tip kuantum sensörlerine ve depolama cihazlarına imkân vermesini bekliyoruz” dedi.
İlk olarak 1907'de Albert Einstein tarafından önerilen fononlar, titrek atomların yaydığı titreşim enerjisi paketleri olarak tanımlanabilir. Bu bölünemez paketler veya kuantlar, frekanslarına bağlı olarak ses veya ısı olarak kendini gösterir. Işığın kuantum taşıyıcıları olan fotonlar gibi fononlar da ölçülür yani titreşimsel enerjileri ayrı bir değerle sınırlandırılır. Safavi-Naeini, “Ses, normalde deneyimlemediğimiz bir tanecikliliğe sahip çünkü kuantum seviyesindeki sesler çatlar” açıklamasında bulundu.
Mekanik bir sistemin enerjisi, ürettiği fonon sayısına bağlı olarak “Fock” durumlarını (0, 1, 2 vb.) belirtir. Örneğin "1 Fock durumu", belirli bir enerjinin bir fononundan oluşur; "2 Fock durumu", aynı enerjiye sahip iki fonondan oluşur. Daha yüksek fonon durumları da daha yüksek seslere karşılık gelir. Bu sorunu ele almak için Stanford ekibi, dünyanın en hassas mikrofonunu yani atomların fısıltılarını gizlice dinlemek için kuantum prensiplerini kullanan bir mühendislik harikası tasarladı.
Sıradan bir mikrofonda, gelen ses dalgaları bir iç zarı oynatır ve bu fiziksel yer değiştirme ölçülebilir bir sinyale dönüştürülür. Bu yaklaşım, bireysel fononları tespit etmek için işe yaramaz çünkü Heisenberg Belirsizlik İlkesi'ne göre bir kuantum nesnesinin konumu, değiştirilmeden tam olarak bilinemez. Bunun yerine fizikçiler, Fock durumlarını (ve böylece fononların sayısını) doğrudan ses dalgalarında ölçecek bir yöntem geliştirdiler. Safavi-Naeini, "Kuantum mekaniği, bize konum ve momentumun kesin olarak bilinemediğini söylüyor ancak enerji hakkında böyle bir şey söylemiyor. Bu yüzden enerji sonsuz hassasiyetle bilinebilir” dedi.
Bilim insanlarının geliştirdiği kuantum mikrofon, sadece elektron mikroskobu ile görülebilecek kadar küçük olan bir dizi süper soğutmalı nanomekanik rezonatörden oluşuyor. Rezonatörler, dirençsiz ve hareket eden elektron çiftleri içeren bir süper iletken devreye bağlanıyor. Devre, aynı anda iki durumda bulunabilen ve elektronik olarak okunabilen, doğal bir frekansa sahip olan bir kuantum bit veya kesiti oluşturuyor. Mekanik rezonatörler titreştiğinde, farklı durumlarda fononlar oluşturuluyor..
Arrangoiz-Arriola, "Rezonatörler, ses aynaları gibi hareket eden periyodik yapılardan oluşuyor. Bu yapay kafeslere müdahale ederek fononları, yapıların ortasında tutabiliyoruz" dedi. Araştırmacılar, bu fononları adeta bir kafese koydular ve fononların o kafesin duvarlarına çarpmalarını beklediler. Kafesin duvarlarını sarsan fononların ortaya çıkardıkları mekanik hareketler, ultra ince teller yardımıyla kuantum bitlere taşındı. Bununla birlikte sistemi rezonatörlerin çok farklı frekanslarda titreştiği şekilde ayarlayan araştırmacılar, bu mekanik bağlantıyı zayıflattı ve dağıtıcı bir etkileşim olarak bilinen bir tür kuantum etkileşimini tetikledi.
Fononları tam olarak üretme ve tespit etme becerisine hâkim olmak, ses parçacıkları olarak kodlanan bilgileri saklayabilen ve alabilen veya optik ve mekanik sinyaller arasında sorunsuz bir şekilde dönüştürebilen yeni tür kuantum cihazlarının önünü açabilir. Bu tür cihazlar, fotonları kullanan kuantum makinelere göre daha kompakt ve verimli hâle getirilebilir çünkü fononların kullanımı kolay ve hafif parçacıklardan binlerce kez daha küçük dalga boylarına sahip.
