Rozszczepianie fononów zrobiło krok w kierunku nowego typu komputera kwantowego

Kiedy słuchamy naszej ulubionej piosenki, to, co brzmi jak ciągła fala muzyki, w rzeczywistości podróżuje jako małe pakiety cząstek kwantowych zwanych fononami.

Prawa mechaniki kwantowej stwierdzają, że cząstki kwantowe są zasadniczo niepodzielne, a zatem nie można ich podzielić, ale naukowcy z Pritzker School of Molecular Engineering (PME) Uniwersytetu w Chicago badają, co się dzieje, gdy próbuje się podzielić fonon.

W dwóch eksperymentach – pierwszych w swoim rodzaju – zespół kierowany przez profesora Andrew Clelanda użył urządzenia zwanego rozdzielaczem wiązki akustycznej, aby „rozdzielić” fonony, a następnie pokazać im ich właściwości kwantowe. Pokazując, że nadajnik wiązki może być użyty do wywołania specjalnego stanu superpozycji kwantowej dla pojedynczego fononu, a także do stworzenia interferencji między dwoma fononami, zespół badawczy podjął pierwsze kluczowe kroki w kierunku stworzenia nowego typu komputera kwantowego.

Wyniki są publikowane w czasopiśmie Nauki Opiera się na latach przełomowych prac nad fononami zespołu Pritzker Molecular Engineering.

„podzielić” fonon na superpozycję

W eksperymentach naukowcy wykorzystali fonony o tonie około miliona razy głośniejszym niż to, co może usłyszeć ludzkie ucho. Wcześniej Cleland i jego zespół wymyślili, jak tworzyć i wykrywać pojedyncze fonony i jako pierwsi połączyli dwa fonony.

Aby udowodnić kwantowe możliwości tych fononów, zespół – w tym absolwent Cleland, Hong Qiao – stworzył urządzenie do dzielenia wiązki dźwiękowej na pół, przesyłania drugiej połowy i odbijania drugiej połowy z powrotem do źródła (rozszczepiacze promieni już istnieją dla światła i muszą zademonstrować kwantowe możliwości fotonów). Cały system, w tym dwa kubity do generowania i wykrywania fononów, działa w ekstremalnie niskich temperaturach i wykorzystuje pojedyncze powierzchniowe fonony fal akustycznych, które przemieszczają się po powierzchni materiału, w tym przypadku niobianów litu.

Jednak fizyka kwantowa mówi, że pojedynczy fonon jest niepodzielny. Kiedy więc zespół wysłał pojedynczy fonon do nadajnika promieni, zamiast rozdzielania, wszedł w stan superpozycji kwantowej, w którym fonon jest odbijany i transmitowany w tym samym czasie. Obserwacja (pomiar) fononu powoduje, że ten stan kwantowy zapada się w jedno z dwóch wyjść.

Zespół znalazł sposób na utrzymanie tego stanu superpozycji poprzez przechwycenie fononu w dwóch kubitach. Kubit jest podstawową jednostką informacji w obliczeniach kwantowych. Tylko jeden kubit przechwytuje fonon, ale naukowcy nie są w stanie stwierdzić, który kubit jest nawet po pomiarze. Innymi słowy, superpozycja kwantowa jest przenoszona z fononu na dwa kubity. Naukowcy zmierzyli tę superpozycję dwóch kubitów, uzyskując „złoty standardowy dowód na to, że rozdzielacz wiązki tworzy stan splątania kwantowego” – powiedział Cleland.

Pokaż, że fonony zachowują się jak fotony

W drugim eksperymencie zespół chciał zademonstrować dodatkowy fundamentalny efekt kwantowy, który po raz pierwszy zademonstrowano przy użyciu fotonów w latach 80. Obecnie znany jako efekt Hong-Ou-Mandela, gdy dwa identyczne fotony z przeciwnych kierunków są wysyłane w tym samym czasie do rozdzielacza wiązki, nałożone na siebie sygnały wyjściowe są takie, że oba fotony zawsze przemieszczają się razem, w jednym lub drugim z kierunki wyjściowe.

Co ważniejsze, to samo stało się, gdy zespół przeprowadził eksperyment z fononami — nałożony wynik oznacza, że ​​tylko jeden z dwóch kubitów detektora odbiera fonony, poruszając się w jednym kierunku, ale nie w drugim. Chociaż kubity mają zdolność odbierania tylko jednego fononu na raz, a nie dwóch, kubity umieszczone w przeciwnym kierunku nigdy nie „słyszą” fononu, co wskazuje, że oba fonony poruszają się w tym samym kierunku. Zjawisko to nazywane jest interferencją dwufononową.

Wprowadzenie fononów w stan splątania kwantowego to znacznie większy skok niż zrobienie tego za pomocą fotonów. Zastosowane tutaj fonony, mimo że są niepodzielne, nadal wymagają biliardowych części atomów współpracujących ze sobą na wzór mechaniki kwantowej. A jeśli mechanika kwantowa rządzi fizyką tylko w najmniejszym świecie, rodzi to pytania o to, gdzie kończy się ten świat, a zaczyna fizyka klasyczna; Ten eksperyment pogłębia to przejście.

„Te atomy muszą zachowywać się razem spójnie, aby wspierać to, co mechanika kwantowa mówi, że powinny robić” – powiedział Cleland. „To trochę niesamowite. Dziwne aspekty mechaniki kwantowej to nie tylko rozmiar”.

Stworzenie nowego liniowego komputera kwantowo-mechanicznego

Siła komputerów kwantowych tkwi w „dziwności” sfery kwantowej. Wykorzystując dziwne siły kwantowe superpozycji i splątania, naukowcy mają nadzieję rozwiązać problemy, które wcześniej były trudne do rozwiązania. Jednym ze sposobów na to jest użycie fotonów w tak zwanym „liniowym optycznym komputerze kwantowym”.

Liniowo-mechaniczny komputer kwantowy – który wykorzystuje fonony zamiast fotonów – może mieć potencjał do obliczania nowych rodzajów obliczeń. „Sukces eksperymentu z interferencją fononów jest najnowszym dowodem na to, że fonony są równoważne fotonom” – powiedział Cleland. „Wynik potwierdza, że ​​dysponujemy technologią potrzebną do zbudowania liniowego komputera kwantowo-mechanicznego”.

W przeciwieństwie do liniowych optycznych obliczeń kwantowych opartych na fotonach, platforma University of Chicago bezpośrednio integruje fonony z kubitami. Oznacza to, że fonony mogą być również częścią hybrydowego komputera kwantowego, który łączy w sobie to, co najlepsze w liniowych komputerach kwantowych z mocą komputerów kwantowych opartych na kubitach.

Następnym krokiem jest stworzenie bramki logicznej – istotnej części obliczeń – za pomocą fononów, nad którymi obecnie pracuje Cleland i jego zespół.

Inni autorzy artykułu to É. Dumore, J. Anderson, H. Yan, M.-H. Zhou, J. Greibel, CR Conner, YJ Joshi, JM Miller, RJ Buffay i X Wu.