В области квантовой физики совершён прорыв: учёным впервые удалось осуществить временное расщепление фононов — мельчайших квантов звуковых колебаний. Ранее считалось, что разделить эти фундаментальные частицы звука принципиально невозможно. Это достижение, основанное на парадоксальных законах квантового мира, открывает перспективы для создания принципиально новых квантовых компьютеров, способных выполнять вычисления, недоступные современным технологиям. Сходство фононов с фотонами (частицами света) указывает на возможность разработки звуковых аналогов фотонных квантовых систем.
Фонон представляет собой элементарное возбуждение в кристаллической решётке, квант механической вибрации. В отличие от фотонов, которые свободно перемещаются в вакууме, фононы существуют только внутри материальной среды — будь то твёрдое тело, жидкость или газ. Их можно представить как коллективное, согласованное движение огромного числа атомов. Уменьшение громкости звука на макроскопическом уровне соответствует уменьшению числа этих квантовых «пакетов» энергии.
Несмотря на то, что каждый фонон связан с движением миллиардов атомов, он переносит ничтожно малую энергию. Как и все объекты квантового масштаба, фононы обладают корпускулярно-волновым дуализмом, то есть могут вести себя и как частица, и как волна. Если материю можно разложить на элементарные составляющие (электроны, кварки), то фононы долгое время рассматривались как неделимые целостные объекты.
Прорывное исследование и его значение
Опубликованное в авторитетном журнале Science исследование опровергает эту догму. Учёные продемонстрировали, что с помощью специальных квантовых манипуляций фонон можно временно разделить. Это открывает совершенно новую область исследований на стыке квантовой механики и акустики. «До нас этот вопрос практически не изучался», — отмечает Эндрю Клеланд, физик из Чикагского университета и соавтор работы. По его словам, это достижение может лечь в основу создания уникальных квантовых вычислительных архитектур, использующих звук вместо света.
Эксперимент с квантовым светоделителем для звука
В основе эксперимента лежало применение к фононам эффекта квантового делителя пучка — устройства, хорошо известного в оптике. Когда на такой «светоделитель для звука» попадает одиночный фонон, он переходит в суперпозицию — особое квантовое состояние, в котором частица одновременно движется по двум разным путям (отражается и проходит сквозь). В результате фонон как бы взаимодействует сам с собой, создавая интерференционную картину, и может быть обнаружен в точке, отличной от исходной.
Обратите внимание: Пилоты будут контролировать до трех самолетов одновременно … только лишь с помощью мыслей.
Эксперимент проводился со звуковыми колебаниями ультравысокой частоты, в миллионы раз превышающей порог слышимости человека. Вся установка была охлаждена до температур, близких к абсолютному нулю. Такое экстремальное охлаждение необходимо для подавления тепловых шумов — хаотических колебаний атомов кристаллической решётки, которые полностью «заглушили» бы хрупкие квантовые эффекты.
Кубиты вместо динамиков и микрофонов
Для генерации и детектирования звука учёные использовали не обычные динамики и микрофоны, а сверхпроводящие кубиты — искусственные атомы, являющиеся основными носителями информации в квантовых компьютерах. Манипулируя параметрами системы, исследователи могли управлять взаимодействием между «расщеплёнными» частями фонона. Это позволило им направлять фонон после прохождения светоделителя на определённый кубит-приёмник.
Квантовая природа явления была подтверждена в решающем опыте: два фонона одновременно отправлялись на светоделитель. Согласно классической физике, их дальнейший путь к кубитам должен был быть независимым и случайным. Однако эксперимент показал сильную корреляцию: фононы всегда оказывались на одном и том же кубите. Это прямое свидетельство их квантовой запутанности после расщепления.
Перспектива квантовых вычислений на фононах
Обнаруженный эффект является фундаментальной основой для создания квантовых логических вентилей — базовых элементов, из которых строятся схемы для квантовых вычислений. «Следующий логический шаг — продемонстрировать, что мы можем создавать такие вентили именно на фононах. Это будут первые строительные блоки, необходимые для выполнения реальных квантовых алгоритмов», — подводит итог Эндрю Клеланд. Таким образом, «расщеплённый» звук может стать новой средой для обработки информации следующего поколения.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.