wyjaśnił | Czy fonony, cząsteczki dźwięku, też są kwantami?

Ruch owada na powierzchni wody tworzy dwa zestawy zmarszczek, które nakładają się na siebie, tworząc wzór interferencji widoczny w okolicy godziny 11-12, Nowy Meksyk, 29 maja 2019 r. | Źródło obrazu: Mike Lewinsky/Unsplash

Jedną z najgorętszych wiadomości w świecie informatyki są obecnie komputery kwantowe (drugą jest sztuczna inteligencja). Ostatnio IBMem opublikowany artykuł który twierdził, że udowodnił, że komputer kwantowy może rozwiązać problem użyteczne Problem, z którym nie radzą sobie dzisiejsze tradycyjne komputery, i jest to konsekwencja, na którą zasługują obawy, że ich obliczenia mogą stać się zbyt niewiarygodne, ponieważ stają się zbyt złożone.

Co to są kubity?

Komputery kwantowe używają kubitów jako podstawowych jednostek informacji. Kubit może być cząstką – jak elektron; Zbiór cząstek lub układ kwantowy zaprojektowany tak, aby zachowywał się jak cząstka. Cząsteczki mogą robić dziwne rzeczy, których duże obiekty – takie jak półprzewodniki w klasycznych komputerach – nie mogą, ponieważ kierują się zasadami fizyki kwantowej. Reguły te pozwalają, aby każdy kubit miał jednocześnie wartości „on” i „off”, np.

Hipoteza obliczeń kwantowych polega na tym, że informacje można „zakodować” w jakiejś właściwości cząstki, takiej jak spin elektronu, a następnie przetwarzać przy użyciu tych dziwnych możliwości. W rezultacie oczekuje się, że komputery kwantowe będą wykonywać złożone obliczenia poza zasięgiem najlepszych dzisiejszych superkomputerów.

Inne formy obliczeń kwantowych wykorzystują inne jednostki informacji. Na przykład liniowe optyczne obliczenia kwantowe (LOQC) wykorzystują fotony i cząstki światła jako kubity. Tak jak różne fragmenty informacji można łączyć i manipulować nimi poprzez kodowanie ich na elektronach, a następnie wywoływanie interakcji elektronów na różne sposoby, LOQC demonstruje użycie sprzętu optycznego – takiego jak lustra, soczewki, rozdzielacze, płytki falowe itp. – z fotonami do przetwarzania informacji.

Rzeczywiście, każda cząstka, którą można kontrolować i manipulować za pomocą zjawisk mechaniki kwantowej, musi na papierze nadawać się do wykorzystania jako jednostka informacji w komputerze kwantowym.

Co to są fonony?

Dlatego fizycy zastanawiają się, czy mogą również używać fononów. Fotony to pakiety energii świetlnej. Podobnie fonony to pakiety wibrującej energii. Pytanie więc brzmi: czy możemy zbudować komputer kwantowy, którego jednostka informacji jest, potocznie, nienaruszona?

zgodnie z papierem Opublikowany w Nauki W tym miesiącu powinno to być możliwe.

Problem polega na tym, że badacze mogą manipulować elektronami za pomocą prądów elektrycznych, pól magnetycznych itp., a fotonami za pomocą zwierciadeł, soczewek itp. – ale czym mogą manipulować fononami? W tym celu w nowym badaniu naukowcy z University of Chicago opracowali rozdzielacz wiązki akustycznej.

Co to jest rozdzielacz wiązki?

Dzielniki wiązki są szeroko stosowane w badaniach optyki. Wyobraź sobie pochodnię świecącą wzdłuż linii prostej. Jest to w zasadzie strumień fotonów. Gdy rozdzielacz wiązki zostanie umieszczony na ścieżce światła, rozdziela wiązkę na dwie części: to znaczy, że odbije 50% fotonów na jedną stronę i pozwoli pozostałym 50% przejść prosto.

Choć brzmi to prosto, działanie rozdzielacza wiązki jest w rzeczywistości oparte na fizyce kwantowej. Jeśli poświecisz na nią milionem fotonów, wytworzy dwie wiązki po 500 000 fotonów każda. Następnie możemy odbić te dwa promienie, aby się przecięły, tworząc wzór interferencji (pamiętaj eksperyment Younga z podwójną szczeliną). Ale naukowcy odkryli, że wzór interferencji pojawia się nawet wtedy, gdy oświetlają fotony w rozdzielaczu wiązki jeden po drugim. Jakie fotony są zaangażowane? Odpowiedź to sobie.

Dzieje się tak dlatego, że a) cząstki mogą również zachowywać się jak fale oraz b) dopóki nie zostanie dokonana obserwacja, układ kwantowy istnieje w superpozycji wszystkich swoich możliwych stanów (takich jak kubit będący częściowo „włączony”, a częściowo „wyłączony” w tym samym czas). Kiedy więc pojedyncza fala oddziałuje z rozdzielaczem wiązki, przechodzi w superpozycję dwóch możliwych wyników – odbitego i transmitowanego. Gdy te stany się połączą, tzw Styl interwencji On się pojawia.

Co dało nowe badanie?

W ramach nowego badania naukowcy opracowali rozdzielacz wiązki akustycznej — małe urządzenie przypominające grzebień, z wystającymi z niego 16 metalowymi prętami. Umieszczono go w środku 2 mm kanału niobianu litu. Na każdym końcu kanału znajdował się kubit nadprzewodzący — kubit, którego elementy obwodu były nadprzewodzące — który mógł jednocześnie emitować i wykrywać poszczególne fonony. Całość trzymano w bardzo niskiej temperaturze.

Gdyby te fonony zostały przekształcone w dźwięk, ich częstotliwość byłaby zbyt wysoka, aby ludzie mogli je usłyszeć. Według artykułu każdy fonon w badaniu reprezentuje „zbiorową” wibrację około biliarda atomów.

Zespół odkrył, że te fonony oddziałują z grzebieniem tak, jak fotony oddziałują z optycznym rozdzielaczem wiązki. Kiedy telefon był emitowany z lewej strony kanału, był odbijany w połowie czasu i przesyłany do prawej strony w drugiej połowie. Kiedy fonony były emitowane jednocześnie z lewej i prawej strony, kończyły się po jednej stronie (zgodnie z oczekiwaniami).

Komputer z telefonem…?

„Podstawowym pytaniem naukowym jest to, czy fonony… rzeczywiście zachowują się tak, jak mówi mechanika kwantowa”, powiedział Andrew Cleland, fizyk z Pritzker School of Molecular Engineering i członek zespołu badawczego. Fizyka czasopismo. Testy jego zespołu dowodzą, że tak.

Ale do funkcjonalnego komputera kwantowego, który używa fononów jako jednostek informacji, jest jeszcze daleko. Fizyk z University of Nottingham, Andrew Armor, ujął to szerzej Wiadomości naukoweTo, co robisz, to skalowanie [quantum] Zestaw narzędzi… ludzie będą na nim budować, będzie trwał i nic nie wskazuje na to, aby miał się w najbliższym czasie zatrzymać”.

• IBM opublikował artykuł, w którym twierdzi, że udowodnił, że komputer kwantowy może rozwiązać problem użyteczne Problem, z którym nie radzą sobie dzisiejsze tradycyjne komputery, i jest to konsekwencja, na którą zasługują obawy, że ich obliczenia mogą stać się zbyt niewiarygodne, ponieważ stają się zbyt złożone.

• Zespół odkrył, że te fonony oddziałują z grzebieniem tak, jak fotony oddziałują z optycznym rozdzielaczem wiązki.

• Dzielniki wiązki są szeroko stosowane w badaniach optyki. Wyobraź sobie pochodnię świecącą wzdłuż linii prostej. Jest to w zasadzie strumień fotonów. Gdy rozdzielacz wiązki zostanie umieszczony na ścieżce światła, rozdziela wiązkę na dwie części: to znaczy, że odbije 50% fotonów na jedną stronę i pozwoli pozostałym 50% przejść prosto.