Ученые создали акустическую систему для моделирования квантовых явлений

Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) разработали уникальную акустическую метаматериальную систему, которая позволяет изучать свойства конденсированного состояния вещества, избегая сложностей, связанных с хрупкостью квантовых явлений. Этот прорыв может открыть новые пути в телекоммуникациях, энергетике и даже в создании аналоговых квантовых компьютеров. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review B.

Играя с квантовыми законами: акустика вместо квантовой механики

Квантовая механика описывает поведение частиц на микроскопическом уровне, но ее принципы крайне сложно наблюдать в макроскопическом мире. Одной из главных проблем является эффект наблюдателя: измерение квантовой системы разрушает ее состояние, "заставляя" частицу выбрать определенное положение.

Однако звуковые волны, в отличие от квантовых частиц, можно изучать напрямую, не нарушая их состояния. Эту идею использовал аспирант EPFL Матье Падлевски в сотрудничестве с Эрве Лиссеком и Романом Флёри из Лаборатории волновой инженерии. Они создали акустический метаматериал, имитирующий поведение квантовых систем.

"Мы построили своего рода игровую площадку, вдохновленную квантовой механикой, которую можно настраивать для изучения различных систем. Наш метаматериал состоит из активных элементов с высокой степенью управляемости, что позволяет моделировать явления, выходящие за рамки природных", — объясняет Падлевски.

Как звук объясняет "кота Шрёдингера"?

Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шрёдингера иллюстрирует принцип суперпозиции: кот в закрытой коробке одновременно и жив, и мертв, пока наблюдатель не откроет коробку и не "коллапсирует" систему в одно состояние.

Но если в квантовой механике суперпозицию сложно наблюдать, то в акустике она проявляется естественно. Например, человеческий голос или звук музыкального инструмента — это наложение множества частот (обертонов), которые мы слышим одновременно.

"Квантовые волны — это тоже волны. Почему бы не моделировать их с помощью звука?" — говорит Падлевски. "В акустике мы можем напрямую измерять фазу и амплитуду волн, не разрушая их состояние. Это открывает огромные возможности".

Как устроен акустический метаматериал?

Система, созданная в EPFL, состоит из 16 соединенных кубиков ("акустических атомов"), оснащенных динамиками и микрофонами. Динамики генерируют звуковые волны, которые распространяются по цепочке, а микрофоны фиксируют их изменения.

"Если посмотреть на строение улитки уха, отвечающей за слух, она похожа на наш метаматериал по структуре и функциональности", — отмечает Лиссек. "Она содержит ряд клеток, усиливающих разные частоты. Нашу систему можно настроить аналогичным образом и изучать, например, проблемы слуха, такие как тиннитус".

Акустический аналог квантового компьютера

Одно из самых перспективных направлений — создание акустического аналогового компьютера, способного обрабатывать информацию в "суперпозиции" состояний, подобно квантовому компьютеру. В отличие от "хрупких" квантовых битов (кубитов), звуковые волны устойчивы к внешним помехам.

"Такой компьютер будет работать как кристаллическая решетка, где ячейки упорядочены подобно атомам в кристалле", — говорит Падлевски. "Акустический подход может предложить альтернативный способ параллельной обработки огромных объемов данных".

Перспективы технологии

• Телекоммуникации: управление волнами для улучшения передачи сигналов.
• Энергетика: возможность преобразования энергии волн в электричество.
• Медицина: моделирование слуховых процессов и борьба с тиннитусом.
• Вычисления: создание аналоговых вычислительных систем нового типа.

Это исследование демонстрирует, как физика звука может помочь разгадать загадки квантового мира, предлагая более доступные методы изучения сложных явлений.