Ученые «расщепляют» фононы и делают шаг к новому типу квантового компьютера

Когда мы слушаем любимую песню, то, что звучит как непрерывная музыкальная волна, на самом деле передается в виде крошечных пакетов квантовых частиц, называемых фононами.

Законы квантовой механики утверждают, что квантовые частицы принципиально неделимы и поэтому не могут быть разделены, но исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии (PME) Чикагского университета изучают, что происходит, если попытаться расщепить фонон.

В двух экспериментах — первых в своем роде — группа под руководством профессора Эндрю Клиланда использовала устройство, называемое акустическим светоделителем, чтобы «расщеплять» фононы и тем самым демонстрировать их квантовые свойства.

Показав, что светоделитель можно использовать как для создания особого состояния квантовой суперпозиции для одного фонона, так и для дальнейшего создания интерференции между двумя фононами, исследовательская группа сделала первые важные шаги на пути к созданию квантового компьютера нового типа.

«Расщепление» фонона на суперпозицию

В экспериментах исследователи использовали фононы, высота звука которых примерно в миллион раз выше, чем можно услышать человеческим ухом. Ранее Эндрю Клеланд и его команда выяснили, как создавать и обнаруживать одиночные фононы, и первыми запутали два фонона.

Чтобы продемонстрировать квантовые возможности этих фононов, ученые создали акустический светоделитель, который может разделять звуковой пучок пополам, передавая половину и отражая другую половину обратно к его источнику (светоделители уже существуют для света и использовались для демонстрации квантовых возможностей фотонов).

Вся система, включая два кубита для генерации и обнаружения фононов, работает при экстремально низких температурах и использует отдельные фононы поверхностных акустических волн, которые перемещаются по поверхности материала, в данном случае ниобата лития.

Однако квантовая физика говорит, что одиночный фонон неделим. Поэтому, когда ученые отправили одиночный фонон в светоделитель, вместо разделения он перешел в квантовую суперпозицию, состояние, в котором фонон одновременно отражается и передается. Наблюдение (измерение) фонона приводит к коллапсу этого квантового состояния в один из двух выходов.

Ученые нашли способ поддерживать это состояние суперпозиции, улавливая фонон в двух кубитах. Кубит — это основная единица информации в квантовых вычислениях.

Только один кубит на самом деле захватывает фонон, но исследователи не могут сказать, какой именно кубит, до тех пор, пока не будут проведены измерения. Другими словами, квантовая суперпозиция переносится с фонона на два кубита. Исследователи измерили эту суперпозицию двух кубитов, получив «золотое стандартное доказательство того, что светоделитель создает квантово-запутанное состояние», — сказал Эндрю Клеланд.

Фононы ведут себя как фотоны

Во втором эксперименте ученые хотели показать дополнительный фундаментальный квантовый эффект, который впервые был продемонстрирован с фотонами в 1980-х годах.

Теперь известный как эффект Хонга-Оу-Манделя, когда два идентичных фотона посылаются с противоположных направлений в светоделитель одновременно, наложенные друг на друга выходные сигналы интерферируют, так что оба фотона всегда движутся вместе, в одном или другом направлении выхода.

Важно отметить, что то же самое произошло, когда ученые провели эксперимент с фононами — наложенный результат означает, что только один из двух кубитов детектора захватывает фононы, двигаясь в одну сторону, а не в другую.

Хотя кубиты могут захватывать только один фонон за раз, а не два, кубит, расположенный в противоположном направлении, никогда не «слышит» фонон, что доказывает, что оба фонона движутся в одном направлении. Это явление называется двухфононной интерференцией.

Перевести фононы в это квантово-запутанное состояние — гораздо больший скачок, чем сделать это с фотонами. Используемые здесь фононы, хотя и неделимы, все же требуют квадриллионов атомов, работающих вместе квантово-механическим образом.

И если квантовая механика правит физикой лишь в мельчайших масштабах, возникает вопрос, где заканчивается эта область и начинается классическая физика; этот эксперимент дополнительно исследует такой переход.

«Все эти атомы должны вести себя когерентно вместе, чтобы поддерживать то, что, согласно квантовой механике, они должны делать», — сказал Эндрю Клеланд. «Это удивительно. Причудливые аспекты квантовой механики не ограничены размером».

Создание нового линейно-механического квантового компьютера

Сила квантовых компьютеров заключается в «странности» квантового мира. Используя странные квантовые способности суперпозиции и запутанности, исследователи надеются решить ранее неразрешимые проблемы. Один из способов сделать это — использовать фотоны в так называемом «линейном оптическом квантовом компьютере».

Линейно-механический квантовый компьютер, который будет использовать фононы вместо фотонов, сам по себе сможет выполнять новые виды вычислений.

«Успех эксперимента по двухфононной интерференции — это последняя часть, показывающая, что фононы эквивалентны фотонам», — говорят ученые. «Результат подтверждает, что у нас есть технология, необходимая для создания линейно-механического квантового компьютера».

В отличие от линейных оптических квантовых вычислений на основе фотонов, новая платформа напрямую интегрирует фононы с кубитами. Это означает, что фононы могут стать частью гибридного квантового компьютера, который сочетает в себе лучшее из линейных квантовых компьютеров с мощностью квантовых компьютеров на основе кубитов.

Следующим шагом является создание логического элемента (вентиля) — важной части вычислений — с использованием фононов, над чем ученые в настоящее время работают.

Результаты опубликованы в журнале Science и основаны на многолетней прорывной работе над фононами командой Pritzker Molecular Engineering.