Используя принципы квантовой механики, физики впервые смогли временно расщепить фононы — мельчайшие компоненты звуковых волн, — которые, как считалось ранее, нельзя «расщепить». Их сходство с фотонами (частицами света) предполагает потенциальное применение в разработке квантовых компьютеров с совершенно новыми вычислительными функциями.
В физике фонон обозначает квант звуковых колебаний, наименьший компонент звуковой волны. Фононы могут существовать только в кристаллическом материале, то есть, в отличие от фотонов, которые могут двигаться в вакууме, для их движения требуется среда, такая как воздух или вода, или поверхность упругого материала. Если уменьшение интенсивности источника света соответствует уменьшению числа фотонов, то уменьшение громкости звука соответствует уменьшению числа фононов.
Хотя отдельный фонон представляет собой коллективное движение нескольких миллиардов атомов, он несет очень небольшое количество энергии. В квантовой механике он характеризуется корпускулярно-волновым дуализмом (как и свет), проявляясь либо в виде волны, либо в виде «элементарного пакета». Если материю в целом можно разделить на несколько субатомных частиц, таких как протоны и электроны, то до сих пор считалось невозможным разделить фононы.
Тем не менее, новое исследование было опубликовано в журнале , предполагает, что фонон может быть временно разделен особым квантовым эффектом. Подобно свету, принцип квантового расщепления можно применить, например, к звуку или вибрациям. «Никто еще не исследовал этот вопрос», — говорит Эндрю Клеланд, физик из Чикагского университета и один из ведущих авторов исследования. Он и его коллеги считают, что это исследование потенциально может привести к разработке новых квантовых архитектур для вычислений, более или менее похожих на те, которые сейчас разрабатываются с использованием фотонов.
Разделение, которое может послужить основой для квантовых "ворот"
Эксперимент в новом исследовании включает в себя использование эффекта квантового делителя пучка на фононы. Это устройство для приема «потока» падающих фононов, половина которых отражается при попадании на фононный светоделитель. Тот же принцип применяется, когда система получает один фонон, который затем входит в квантовое состояние, в котором он движется в двух разных направлениях.
Обратите внимание: Пилоты будут контролировать до трех самолетов одновременно … только лишь с помощью мыслей.
Отраженный и прошедший фонон взаимодействует сам с собой посредством интерференционного процесса и может перемещаться из своего исходного положения.Работа устройства наблюдалась по звуку, частота которого в несколько миллионов раз превышает слышимую человеку. Все устройство подвергалось воздействию температур, близких к абсолютному нулю. Это охлаждение необходимо потому, что когда кристаллическая решетка находится в среде с плюсовой температурой, энергия не постоянна и хаотично колеблется вокруг среднего значения. Эти колебания вызваны случайными колебаниями атомов под действием тепла.
Кроме того, сверхпроводящие кубиты (несущие квантовую информацию) использовались вместо динамиков и микрофонов для передачи и приема звука соответственно. Затем параметры смещения звука были изменены, чтобы изменить способ взаимодействия прошедших и отраженных фононов друг с другом. Эти манипуляции позволили исследователям добиться того, чтобы переданный фонон был принят либо исходным кубитом, либо кубитом, помещенным по другую сторону фононного светоделителя после контакта с ним.
Затем исследователи подтвердили квантовое поведение фононов, отправив их одновременно на два кубита. Точнее, фононы были направлены так, чтобы они одновременно шли к светоделителю, а затем к месту назначения. Таким образом, предполагается, что они всегда непредсказуемо движутся к кубитам, но всегда оказываются на одном и том же кубите, когда одновременно попадают в светоделитель.
Если бы мы рассматривали движение фононов без учета законов квантовой физики, то не было бы корреляции между площадями, куда они приземляются после попадания в светоделитель. Этот эффект разделения потенциально может стать основой для создания «квантовых ворот», основных строительных блоков схем в квантовых вычислениях. «Следующий логический шаг в этом эксперименте — продемонстрировать, что мы можем создавать квантовые вентили с использованием фононов. Это будут первые вентили в сборке, которые потребуются для выполнения реальных вычислений», — заключает Клеланд.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.