Het is wetenschappers gelukt om het geluid van één atoom op te nemen

Als wetenschappers in een laboratorium een atoom in een hoger energieniveau brengen, maakt hij dan geluid? Het blijkt van wel, hoewel wetenschappers zeggen dat het wel het meest zachte geluid is dat fysiek mogelijk is.

Onderzoekers aan de Columbia University en de Zweedse Chalmers University of Technology laten weten dat ze voor het eerst het geluid hebben "opgevangen" wat één bewegende atoom maakt – één foton (het trillingsdeeltje binnen een molecuulstructuur) dus eigenlijk. Het is een doorbraak die gebruikt zou kunnen worden als wetenschappelijke achtergrond voor kwantumcomputers.

Zoals iedereen heeft geleerd op de basisschool maakt alles wat beweegt of trilt geluid. Wetenschappers weten nu zeker dat dit principe ook geldt voor minuscule atomen.

"De amplitude, of sterkte, van het geluid is erg zwak," vertelde Göran Johansson, een co-auteur van de paper die vandaag in Science is verschenen. "Als je een atoom in een aangeslagen toestand brengt, maakt het in principe geluid, één fonon per keer volgens de theorie. Het is het zwakste geluid dat mogelijk is op die frequentie."

Normaal gesproken is dit het punt in het verhaal waar wij een link plaatsen naar het geluid zelf, maar helaas: het geluid is zó zacht dat het niet eens hoorbaar zou zijn. De onderzoekers waren zelf ook niet in staat het geluid te horen.

Dus sorry daarvoor. Hoe is het 'geluid' dan toch gemeten? Johansson en zijn team maakte gebruik van een halfgeleidercircuit (die ook gebruikt worden om kleine kwantumcomputers te maken) en daarmee maakten ze een kunstmatig atoom (zoals ze in kwantumexperimenten worden gebruikt) die ze in aangeslagen toestand brachten.

Johansson vertelde me dat er op de chip een reeks lange metalen "vingers" zaten die de akoestische golven van de trillingen van de atoom opvingen en registreerde. Deze zijn, net als de golven, te klein om te zien. De vingers geven de trillingen door naar een tweede reeks grotere vingers die de golven omzetten in microgolven, legde hij uit.

"Deze kunnen opgevangen worden met behulp van gekoelde microgolfversterkers. Het is dezelfde technologie die we gebruiken om supergeleidende kwantumbits te lezen," zegt hij.

Dus, waarom doen ze dit? Ten eerste wilde het team gewoon kijken of ze het zachtste geluid ooit konden meten, wat zeker een nobel doel is. Maar ten tweede wilden de onderzoekers ook de kwantum-eigenschappen van geluid verkennen. Fotonen (lichtdeeltjes) worden altijd gebruikt in kwantumexperimenten, maar ze zijn erg lastig te beïnvloeden omdat ze zo snel bewegen.

"In vergelijking met fotonen hebben fononen meerdere opvallende eigenschappen. Hun voortplantingssnelheid is ongeveer 10^5 keer langzamer en hun golflengte is op dezelfde frequentie als fotonen beduidend korter," schreven de onderzoekers in Science. "De lage snelheid betekent dat kwantumbits veel sneller kunnen worden afgestemd op elkaar [dan fotonen] … dit zorgt voor nieuwe dynamische manieren voor het vangen en verwerken van deeltjes."

In andere woorden, wellicht zit de toekomst van kwantumcommunicatie niet in kwantumlicht, maar in kwantumgeluid. "Dan heb je de tijd om het signaal aan te passen wanneer het zich verspreidt," vertelde Johansson me.

Maar voor nu, zegt hij, is hij meer gefocust om het fenomeen echt te horen en de kwantumeigenschappen te demonstreren. Hij zegt dat als hij het signaal vaak genoeg herhaalt, het mogelijk kan worden om het geluid op te nemen, in plaats van de golven pas te zien nadat ze getransformeerd zijn naar microgolven.

"We dachten dat dit een soort van leuk basisonderzoek zou zijn uit nieuwsgierigheid," zei hij. "Het is best wel gaaf om te zien wat er gebeurd wanneer je licht vervangt met geluid."

Als het geluid straks echt is opgenomen, zijn wij de eerste van wie je het hoort.