Kwantummicrofoon hoort het zwakste geluid
Elk geluid bestaat uit trillingen in de lucht. Als je bijvoorbeeld een nummer afspeelt op de stereoinstallatie, maakt de luidspreker trillingen.
Die planten zich als geluidsgolven voort en bereiken uiteindelijk jouw trommelvlies, waar ze omgezet worden in muziek.
Als je het volume zachter zet, worden de trillingen zwakker, net zo lang tot de geluidssterkte zo gering is dat je niets meer hoort.
Maar de geluidsdeeltjes die de vibraties vormen, zijn er nog. Deze deeltjes worden fononen genoemd.
Bij alles wat wij herkennen als geluid, of het nu keiharde muziek of een vallende speld is, worden zo veel fononen opgewekt dat die niet te tellen zijn.
De energie van één fonon is zo gering dat je er een quadriljoen (een 1 met 24 nullen of een miljoen keer het aantal zandkorreltjes op aarde) nodig zou hebben om een gloeilamp één seconde te laten branden.
Omdat zelfs een zwak geluid zo veel fononen produceert, is het niet goed voor te stellen dat individuele fononen te isoleren zijn.
Maar daar zijn onderzoekers van Stanford University nu juist in geslaagd.
Normaal zijn atomen gerangschikt in een raster, maar onder invloed van trillingen van geluidsgolven gaan ze aan de wandel.
Kleinste geluidsdeeltje brengt de lucht aan het knetteren
Geluid plant zich voort als trillingsenergie, die in golven door de atomen van een materiaal beweegt. Atomen zijn normaal gerangschikt in een raster, maar zo’n golf verstoort de structuur en brengt de atomen aan het trillen.
De trillingsenergie zelf heeft de vorm van kleine pakketjes die fononen worden genoemd: de kleinste geluidsdeeltjes.
De geluiden die je in het dagelijks leven hoort, bestaan uit veel meer fononen dan je kunt tellen.
Normaal wordt het begrip dan ook alleen gebruikt om trillingen te beschrijven die niet te horen zijn voor het menselijk oor.
Maar zelfs als je deze trillingen zou kunnen horen, zou je ze niet opvatten als een samenhangend geluid. Fononen komen per stuk, en er bestaan geen halve of kwart fononen.
Het resultaat zou dan ook eerder klinken als geknetter dan als een gelijkmatig geluid.
Ze hebben een microfoon ontwikkeld die individuele fononen kan meten en zo de zwakste geluiden kan opvangen.
Dit is een doorbraak die ertoe kan leiden dat data nog sneller overgebracht kunnen worden tussen supercomputers. De huidige techniek is gebaseerd op fotonen, lichtdeeltjes.
Fononen zijn trillingen
Al in 1907 maakte Albert Einstein gewag van trillingen toen hij beschreef hoe vaste stoffen zich gedragen.
Maar pas in 1932 werden ze in verband gebracht met geluid: toen ontdekte de Sovjet-Russische natuurkundige Igor Tamm dat geluid uit trillingen bestaat. Hij muntte ook het woord fonon.
Omdat ze zo klein zijn, zijn fononen niet rechtstreeks te meten, maar gehoorzamen ze de principes van de kwantummechanica: de energie van de trillingen is beperkt tot kwantumtoestanden.
Op basis hiervan is een kwantummicrofoon gebouwd.
Kwantumtoestanden zijn een soort traptreden. Op een trap kun je op één bepaalde trede staan, maar niet tussen twee treden. Zo worden fononen gebruikt om ‘treden’ te tellen.
In de kwantummechanica worden deze treden Fock-toestanden genoemd. Een trilling kan zich in een 1-fonon-toestand, een 2-fonon-toestand enzovoort bevinden, maar zit nooit tussen twee toestanden in.
De energie van een Fock-toestand is te meten, en omdat die vertaald kan worden in het aantal fononen, kun je dat uitrekenen als de energie bekend is.
Minimicrofoon vangt geluidsdeeltjes op
Om fononen, de kleinste geluidsdeeltjes, op het spoor te komen, is een microfoon gebouwd die trillingen kan uitzenden en opvangen. De trillingsenergie wordt gebruikt om fononen te tellen.
Elektronen gaan een circuit in
Een zogeheten transmone qubit stuurt elektronen een circuit in. Dat is gemaakt van supergeleidend materiaal om te voorkomen dat er onderweg elektronen verloren gaan.
Fononen worden geïsoleerd en gevangen in een resonator
Als de elektronen een zogeheten resonator passeren, ontstaan er fononen, die in de resonator trillen. De resonator wordt omringd door fononisch kristal, een materiaal dat de richting van de trillingen beïnvloedt. Zo worden de fononen opgepikt door de transmone qubit.
Microscopisch geluid wordt opgewekt en gemeten
De trillingen van de fononen beïnvloeden de elektrische lading – energie – van de transmone qubit.
Aantal fononen wordt bepaald
Op basis van die energie kunnen de wetenschappers aflezen hoeveel fononen er zijn ontstaan in de resonator. Het aantal is af te leiden uit een kromme, die de energie van de fononen toont.
Geen fononen
Als er slechts één curve is, zijn er geen fononen.
Veel fononen
Als er meerdere curven zijn, dan zijn er fononen aanwezig. Die kunnen nu geteld worden.
Piepklein drumstel maakt lawaai
Het lastige van het opvangen van fononen is dat de energie zeer gering is. In een gewone microfoon brengen de geluidsgolven een membraan in trilling, dat dat omzet in een meetbare elektrische spanning.
Maar op die manier zijn fononen niet te meten, want hun interactie met het membraan verstoort de meting en verbergt zo de eigen energie van het fonon.
Daarom meten onderzoekers geen individuele fononen, maar hebben ze een methode ontwikkeld om de volledige trillingsenergie van geluidsgolven te registreren.
Als ze die precies genoeg kunnen beschrijven, is het aantal fononen bekend.
Eerst moesten de wetenschappers het microscopische geluid dat ze willen meten zien te maken. Daartoe bouwden ze een ‘drumstel’ dat zo klein is dat het alleen door een elektronenmicroscoop te zien is.
De ‘drummer’ is een zogeheten transmon qubit, een geavanceerd elektronisch onderdeel van een kwantumcomputer waarvan de toestand bepaald wordt door een elektrische lading.
De qubit stuurt het signaal door naar een ‘drumstick’. Die bestaat uit elektronen die in een elektrisch circuit bewegen.
Als de elektronen langs een zogeheten resonator komen, het ‘vel’ van de trommel, wordt er op de drum geslagen en komen er fononen vrij.
De resonator gedraagt zich echter niet als een gewoon trommelvel: het houdt de fononen vast, waardoor het blijft trillen.
Deze vibratie wordt opgepikt door de qubit. En door de qubit te meten, kunnen de onderzoekers het nauwkeurige aantal fononen in het trommelvel vaststellen.
Fononen geven licht het nakijken
Fononen kunnen mogelijk een rol spelen voor de supercomputers van de toekomst, die zijn gebaseerd op kwantummechanica.
Op dit moment rekenen computers met bits van 1 of 0, maar kwantumcomputers werken met de qubit, die zich aan de wetten van de kwantummechanica houdt.
Qubits zijn niet binair en kunnen zich dus in vele toestanden tussen 1 en 0 bevinden. Dit maakt nieuwe manieren van rekenen mogelijk.
Om op een kwantumcomputer een berekening te maken, moet je de qubits eerst in een bepaalde toestand brengen.
Op een gewone computer zet je een bit in stand 1 of 0, maar omdat een qubit complexer is en veel meer informatie kan bevatten, is het programmeren ervan ook ingewikkeld.
De opgedane kennis over fononen maakt nieuwe vormen van echografie mogelijk.
Nu worden qubits met behulp van lichtdeeltjes, fotonen, in een bepaalde toestand gebracht, maar fononen hebben meerdere voordelen.
Zo is hun golflengte korter dan die van fotonen – zelfs honderden malen zo kort als die van laserlicht.
Het coderen van qubits vergt zo een stuk minder ruimte. In de toekomst kunnen kwantumcomputers, die nu nog behoorlijk groot zijn, flink kleiner worden dankzij fononen.
Artsen spitsen de oren
De nieuwe meting van fononen is niet alleen op kwantumcomputergebied bruikbaar: de onderzoekers hopen ook dat de proef met het piepkleine drumstel tot vooruitgang in de geneeskunde zal leiden.
Net als je laserlicht kunt maken door de golflengte van fotonen precies te regelen, is mogelijk ook ‘lasergeluid’ te construeren.
Er zijn een quadriljoen fononen nodig om een gloeilamp één seconde te laten branden.
Tot nu toe was een probleem daarbij dat het buitengewoon lastig is om fononen met exact dezelfde energie uit te zenden omdat het verschil in energie bij fononen zo gering is. Maar de kwantummicrofoon is zeker een stap in de goede richting.
Als de wetenschappers een fononlaser weten te bouwen, heeft die voordelen ten opzichte van een gewone laser, op dezelfde manier als fononen dankzij de kortere golflengte voordelen hebben in een kwantumcomputer.
Artsen kunnen zo mogelijk een betere echografie ontwikkelen, en wellicht zijn fononen ook bruikbaar voor precisiechirurgie.
Ze zouden bijvoorbeeld tumoren op een moeilijk bereikbare plaats kunnen verwijderen.
Kort door de bocht: muziek kan geneeskundige eigenschappen krijgen.
