Исследователи «разделили» фононы на пути к созданию нового типа квантового компьютера

8 июня 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Чикагским университетом

Когда мы слушаем нашу 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 фундаментально неделимы и, следовательно, не могут быть разделены, но исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии (PME) Чикагского университета изучают, что происходит, когда вы пытаетесь разделить фонон.

В двух экспериментах — первых в своем роде — группа под руководством профессора Эндрю Клеланда использовала устройство, называемое акустическим светоделителем, для «разделения» фононов и тем самым демонстрации их квантовых свойств. 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 нового типа квантового компьютера.

Результаты опубликованы в журнале Science и основаны на многолетней революционной работе над фононами команды Притцкеровской молекулярной инженерии.

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

Чтобы продемонстрировать квантовые возможности этих фононов, команда, в том числе аспирант Клеланда Хун Цяо, создала светоделитель, который может расщеплять луч звука пополам, передавая половину и отражая другую половину обратно к источнику (для света уже существуют светоделители и использовался для демонстрации квантовых возможностей фотонов). Вся система, включая два кубита для генерации и обнаружения фононов, работает при чрезвычайно низких температурах и использует отдельные фононы поверхностной акустической волны, которые перемещаются по поверхности материала, в данном случае ниобата лития.

Однако квантовая физика утверждает, что отдельный фонон неделим. Поэтому, когда команда отправила одиночный фонон в светоделитель, вместо расщепления 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.

Команда нашла способ поддерживать это состояние суперпозиции, захватив фонон в два кубита. Кубит — это базовая единица информации в квантовых вычислениях. На самом деле только один кубит захватывает фонон, но исследователи не могут сказать, какой кубит, пока не будут проведены измерения. Другими словами, квантовая суперпозиция передается от фонона к двум кубитам. Исследователи измерили эту суперпозицию двух кубитов, получив «золотой стандарт доказательства того, что светоделитель создает квантовое запутанное состояние», — сказал Клеланд.

Во втором эксперименте команда хотела показать дополнительный фундаментальный квантовый эффект, который впервые был продемонстрирован на фотонах в 1980-х годах. Теперь известный как эффект Хонг-У-Манделя, когда два одинаковых фотона одновременно посылаются в светоделитель с противоположных направлений, наложенные выходные сигналы интерферируют, так что оба фотона всегда перемещаются вместе, в одном или другом выходном направлении.

Важно отметить, что то же самое произошло, когда команда провела эксперимент с фононами — наложенный результат означает, что только один из двух детекторных кубитов захватывает фононы, направляясь в одну сторону, но не в другую. Хотя кубиты способны захватывать только один фонон за раз, а не два, кубит, помещенный в противоположном направлении, никогда не «слышит» фонон, что доказывает, что оба фонона движутся в одном направлении. Это явление называется двухфононной интерференцией.