Новый тип квантового компьютера может быть построен на странной физике звуковых волн

Когда вы включаете лампу, чтобы осветить комнату, вы испытываете световую энергию, передаваемую в виде фотонов, которые представляют собой небольшие дискретные квантовые пакеты энергии.

Эти фотоны должны подчиняться иногда странным квантовым законам. механики, которые, например, диктуют, что фотоны неделимы, но в то же время позволяют фотону находиться в двух местах одновременно.

Подобно фотонам, из которых состоят лучи света, неделимый квант частицы, называемые фононами, составляют звуковой пучок. Эти частицы возникают в результате коллективного движения квадриллионов атомов подобно тому, как «стадионная волна» на спортивной арене возникает из-за движения тысяч отдельных болельщиков. Когда вы слушаете песню, вы слышите поток этих очень маленьких квантовых частиц.

Первоначально задуманные для объяснения теплоемкости твердых тел, фононы, по прогнозам, подчиняются тем же правилам квантовой механики, что и фотоны. . Однако технология генерации и обнаружения отдельных фононов отстает от технологии для фотонов.

Эта технология только сейчас разрабатывается, частично моей исследовательской группой в Притцкеровской школе молекулярной инженерии Университета Нью-Йорка. Чикаго. Мы изучаем фундаментальные квантовые свойства звука, разделяя фононы пополам и сплетая их вместе.

Фундаментальные исследования фононов, проводимые моей группой, могут однажды позволить исследователям создать новый тип квантового компьютера, называемый механическим квантовым компьютером. компьютер.

Разделение звука с помощью «плохих» зеркал

Чтобы исследовать квантовые свойства фононов, наша команда использует акустические зеркала, которые могут направлять звуковые лучи.

Однако наши последние эксперименты, опубликованные в недавнем выпуске журнала Science, включают «плохие» зеркала, называемые светоделителями, которые отражают примерно половину направленного к ним звука и пропускают другую половину.

Наша команда решила выяснить, что происходит, когда мы направляем фонон на светоделитель.

Поскольку фонон неделим; его нельзя разделить. Вместо этого после взаимодействия с светоделителем фонон оказывается в так называемом «состоянии суперпозиции». В этом состоянии фонон, как это ни парадоксально, и отражается, и передается, и вы с равной вероятностью обнаружите фонон в любом состоянии.

Если вы вмешаетесь и обнаружите фонон, в половине случаев вы будете измерять что оно отражалось и в половине случаев транслировалось; в некотором смысле состояние выбирается детектором случайным образом. В отсутствие процесса обнаружения фонон будет оставаться в состоянии суперпозиции, когда он одновременно передается и отражается.

Этот эффект суперпозиции наблюдался много лет назад с фотонами. Наши результаты показывают, что фононы обладают тем же свойством.

Запутанные фононы

После демонстрации того, что фононы могут вступать в квантовые суперпозиции так же, как фотоны, моя команда задала более сложный вопрос. Мы хотели знать, что произойдет, если мы направим в светоделитель два идентичных фонона, по одному с каждого направления.

Оказывается, что каждый фонон перейдет в похожее состояние суперпозиции полупропущенного и полупропущенного света. отражение. Но из-за физики светоделителя, если мы точно синхронизируем фононы, они будут квантово-механически интерферировать друг с другом.

На самом деле возникает состояние суперпозиции двух фононов, идущих в одну сторону, и двух фононов. идя другой — два фонона, таким образом, квантово-механически запутаны.

В квантовой запутанности каждый фонон находится в суперпозиции отражения и прохождения, но два фонона заперты вместе. Это означает, что обнаружение одного фонона как прошедшего или отраженного приводит к тому, что другой фонон находится в том же состоянии.

Итак, если вы обнаруживаете, вы всегда будете обнаруживать два фонона, движущихся в одну или другую сторону, никогда ни один фонон не идет в разные стороны. Тот же самый эффект для света, комбинация суперпозиции и интерференции двух фотонов, называется эффектом Хонга-У-Манделя в честь трех физиков, которые впервые предсказали и наблюдали его в 1987 году. Теперь моя группа продемонстрировала этот эффект с помощью звука.

Будущее квантовых вычислений

Эти результаты позволяют предположить, что теперь можно построить механический квантовый компьютер с использованием фононов.

Постоянные усилия по созданию оптические квантовые компьютеры, которым требуется только излучение, обнаружение и интерференция одиночных фотонов. Это параллельно с усилиями по созданию электрических квантовых компьютеров, которые за счет использования большого количества запутанных частиц обещают экспоненциальное ускорение для определенных задач, таких как разложение больших чисел на множители или моделирование квантовых систем.

Квантовый компьютер. использование фононов может быть очень компактным и автономным, полностью построенным на микросхеме, аналогичной процессору портативного компьютера. Небольшой размер может упростить реализацию и использование, если исследователи смогут и дальше расширять и совершенствовать технологии, основанные на фононах.

В экспериментах моей группы с фононами используются кубиты — та же технология, которая используется в электронных квантовых компьютерах, — что означает что по мере того, как технология фононов догоняет, появляется возможность интегрировать компьютеры на основе фононов с электронными квантовыми компьютерами. Это может дать новые, потенциально уникальные вычислительные возможности.

Эндрю Н. Клеланд, профессор кафедры инноваций и предпринимательства в области молекулярной инженерии, Притцкеровская школа молекулярной инженерии Чикагского университета

Эта статья перепечатана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.