Исследователи «расщепляют» фононы на пути к новому типу квантового компьютера

Законы квантовой механики утверждают, что квантовые частицы принципиально неделимы и, следовательно, не могут быть расщеплены, но исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии (PME) в Чикагском университете изучают, что происходит, когда вы пытаетесь расщепить фонон.

Центральным прозрачным элементом является фононный светоделитель. Синие и красные шарики представляют собой отдельные фононы, которые представляют собой коллективные механические движения квадриллионов атомов. Эти механические движения можно визуализировать как поверхностные акустические волны, поступающие в светоделитель с противоположных направлений. Двухфононные помехи на светоделителе занимают центральное место в LMQC. Выходные фононы, выходящие из изображения, находятся в двухфононном состоянии, с одним «синим» фононом и одним «красным» фононом, сгруппированными вместе. Предоставлено: Питер Аллен

В двух экспериментах — первом в своем роде — команда во главе с профессором Эндрю Клеландом использовала устройство, называемое акустическим светоделителем, чтобы «расщеплять» фононы и тем самым демонстрировать их квантовые свойства. Показав, что светоделитель может быть использован как для индуцирования особого состояния квантовой суперпозиции для одного фонона, так и для дальнейшего создания помех между двумя фононами, исследовательская группа сделала первые важные шаги к созданию нового типа квантового компьютера.

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

«Расщепление» фонона на суперпозицию

В экспериментах исследователи использовали фононы, имеющие тональность примерно в миллион раз более высокую, чем можно услышать человеческим ухом. Ранее Клеланд и его команда выяснили, как создавать и обнаруживать одиночные фононы, и были первыми, кто запутал два фонона.

Чтобы продемонстрировать квантовые возможности этих фононов, команда, в том числе аспирант Клеланда Хун Цяо, создала светоделитель, который может разделить луч звука пополам, передавая половину и отражая другую половину обратно к 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 чрезвычайно низких температурах и использует отдельные поверхностные фононы акустических волн, которые перемещаются по поверхности материала, в данном случае ниобата лития.

Однако квантовая физика говорит, что один фонон неделим. Поэтому, когда команда отправила один фонон на светоделитель, вместо того, чтобы расщепляться, он перешел в квантовую суперпозицию, состояние, в котором фонон одновременно отражается и передается. Наблюдение (измерение) фонона приводит к тому, что это квантовое состояние коллапсирует в один из двух выходов.

Команда нашла способ поддерживать это состояние суперпозиции, захватив фонон в двух кубитах. Кубит является основной единицей информации в квантовых вычислениях. Только один кубит на самом деле захватывает фонон, но исследователи не могут сказать, какой кубит, до момента измерения. Другими словами, квантовая суперпозиция переносится с фонона на два кубита. Исследователи измерили эту двухкубитную суперпозицию, получив «золотое стандартное доказательство того, что светоделитель создает квантово-запутанное состояние», — сказал Клеланд.

Фононы ведут себя как фотоны

Во втором эксперименте команда хотела показать дополнительный фундаментальный квантовый эффект, который впервые был продемонстрирован с фотонами в 1980-х годах. Теперь известный как эффект Хонг-Оу-Манделя, когда два одинаковых фотона одновременно отправляются с противоположных направлений в светоделитель, наложенные выходы интерферируют, так что оба фотона всегда движутся вместе, в одном или другом выходном направлении.

Важно отметить, что то же самое произошло, когда команда проводила эксперимент с фононами — наложенный выход означает, что только один из двух кубитов детектора захватывает фононы, идя в одну сторону, но не в другую. Хотя кубиты способны 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.

Перевод фононов в это квантово-запутанное состояние — гораздо больший скачок, чем с фотонами. Фононы, используемые здесь, хотя и неделимы, все же требуют квадриллионов атомов, работающих вместе квантово-механическим образом. И если квантовая механика управляет физикой только в мельчайшей области, она поднимает вопросы о том, где заканчивается эта сфера и начинается классическая физика; Этот эксперимент еще больше исследует этот переход.

Создание нового линейно-механического квантового компьютера

Сила квантовых компьютеров заключается в «странности» квантовой сферы. Используя странные квантовые силы суперпозиции и запутанности, исследователи надеются решить ранее неразрешимые проблемы. Один из подходов к этому заключается в использовании фотонов в так называемом «линейном оптическом квантовом компьютере».

Линейный механический квантовый компьютер, который будет использовать фононы вместо фотонов, сам по себе может иметь возможность вычислять новые типы вычислений.

В отличие от линейных оптических квантовых вычислений на основе фотонов, платформа Чикагского университета 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 мощью квантовых компьютеров на основе кубитов.

Следующей частью создания такого компьютера является создание логического гейта - над чем команда и работает в настоящее время.

Оригинал статьи: H. Qiao et al, Splitting phonons: Building a platform for linear mechanical quantum computing, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adg8715. www.science.org/doi/10.1126/science.adg8715 🔗