Het splitsen van fononen heeft een stap gezet in de richting van een nieuw type kwantumcomputer

Dit artikel is beoordeeld volgens Science X’s bewerkingsproces
En Beleid.
Editors Benadruk de volgende kenmerken en zorg tegelijkertijd voor de geloofwaardigheid van de inhoud:

Feiten controleren

Peer-reviewed publicatie

vertrouwde bron

Proeflezen

Artist’s impression van een platform voor lineaire mechanische quantum computing (LMQC). Het centrale transparante element is de fononbundelsplitser. De blauwe en rode ballen vertegenwoordigen individuele fononen, die collectieve mechanische bewegingen zijn van miljarden atomen. Deze mechanische bewegingen kunnen worden gevisualiseerd als akoestische oppervlaktegolven die vanuit tegengestelde richtingen in de bundelsplitser komen. Interferentie van twee fononen bij de bundelsplitser staat centraal in LMQC. De resulterende fononen die het beeld verlaten, bevinden zich in een toestand van twee telefoons, met een ‘blauwe’ telefoon en een ‘rode’ fonon samengebundeld. Krediet: Peter Allen

Wanneer we naar ons favoriete nummer luisteren, reist wat klinkt als een continue golf van muziek in feite als kleine pakketjes kwantumdeeltjes die fononen worden genoemd.

De wetten van de kwantummechanica stellen dat kwantumdeeltjes fundamenteel ondeelbaar zijn en dus niet kunnen worden gedeeld, maar onderzoekers van de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) van de Universiteit van Chicago onderzoeken wat er gebeurt als je een fonon probeert te splitsen.

In twee experimenten – de eerste in hun soort – gebruikte een team onder leiding van professor Andrew Cleland een apparaat dat een akoestische bundelsplitser wordt genoemd om de fononen te ‘splitsen’ en ze vervolgens hun kwantumeigenschappen te laten zien. Door te laten zien dat een straalzender kan worden gebruikt om een ​​speciale kwantumsuperpositietoestand voor een enkel fonon te induceren en om interferentie tussen twee fononen te creëren, heeft het onderzoeksteam de eerste cruciale stappen gezet in de richting van het creëren van een nieuw type kwantumcomputer.

De resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappen En het bouwde voort op jarenlang baanbrekend werk aan fononen door het team van Pritzker Molecular Engineering.

“splitsen” een fonon in een superpositie

In de experimenten gebruikten de onderzoekers fononen met een toonhoogte die ongeveer een miljoen keer luider was dan wat door het menselijk oor kan worden gehoord. Eerder ontdekten Cleland en zijn team hoe ze individuele fononen konden maken en detecteren en waren ze de eersten die twee fononen aan elkaar koppelden.

READ  Burgerwetenschappers hebben een nieuwe planeet ontdekt ter grootte van Jupiter

Om de kwantummogelijkheden van deze fononen te bewijzen, creëerde het team, inclusief Cleland-afgestudeerde student Hong Qiao, een apparaat om een ​​geluidsbundel in tweeën te splitsen, de andere helft door te sturen en de andere helft terug te reflecteren naar de bron (straalsplitsers bestaan ​​al voor licht en moeten de kwantummogelijkheden van fotonen aantonen). Het hele systeem, inclusief twee qubits voor het genereren en detecteren van fononen, werkt bij extreem lage temperaturen en maakt gebruik van individuele akoestische oppervlaktegolf-fononen, die zich voortbewegen op het oppervlak van een materiaal, in dit geval lithiumniobaten.

De kwantumfysica zegt echter dat een enkel fonon ondeelbaar is. Dus toen het team een ​​enkel fonon naar de straalzender stuurde, in plaats van te splitsen, ging het een kwantumsuperpositietoestand binnen, een toestand waarin een fonon tegelijkertijd wordt gereflecteerd en verzonden. Het observeren (meten) van het fonon zorgt ervoor dat deze kwantumtoestand instort in een van de twee uitgangen.

Het team vond een manier om deze superpositietoestand te behouden door het fonon in twee qubits op te vangen. Een qubit is de basiseenheid van informatie in kwantumcomputing. Slechts één qubit vangt het fonon op, maar de onderzoekers kunnen zelfs na meting niet zeggen welke qubit is. Met andere woorden, de kwantumsuperpositie wordt overgedragen van het fonon naar de twee qubits. De onderzoekers maten deze superpositie van twee qubits, wat “gouden standaardbewijs opleverde dat de bundelsplitser een kwantumverstrengelde toestand creëert”, zei Cleland.

Laat zien dat fononen zich gedragen als fotonen

In het tweede experiment wilde het team een ​​aanvullend fundamenteel kwantumeffect demonstreren dat voor het eerst werd aangetoond met behulp van fotonen in de jaren tachtig. Nu bekend als het Hong-Ou-Mandel-effect, wanneer twee identieke fotonen uit tegengestelde richtingen tegelijkertijd naar een bundelsplitser worden gestuurd, zijn de gesuperponeerde outputs zo dat beide fotonen altijd samen reizen, in de ene of de andere van de uitvoer richtingen.

READ  Brandstoflekkage van lanceerplatform vertraagt ​​missie Atlas 5 - Spaceflight Now

Wat nog belangrijker is, hetzelfde gebeurde toen het team het experiment met fononen uitvoerde: de gesuperponeerde uitvoer betekent dat slechts één van de twee detector-qubits de fononen oppikt en in de ene richting gaat, maar niet in de andere. Hoewel qubits slechts één fonon tegelijk kunnen oppikken, niet twee, “horen” qubits die in de tegenovergestelde richting zijn geplaatst nooit een fonon, wat aangeeft dat beide fononen in dezelfde richting reizen. Dit fenomeen wordt interferentie met twee fononen genoemd.

Fononen in kwantumverstrengeling krijgen is een veel grotere sprong dan het doen met fotonen. De hier gebruikte fononen vereisen, ondanks dat ze ondeelbaar zijn, nog steeds een quadriljoenste van atomen die samenwerken op de manier van kwantummechanica. En als de kwantummechanica alleen de natuurkunde beheerst in de kleinste wereld, roept dat vragen op over waar deze wereld eindigt en de klassieke natuurkunde begint; Dit experiment maakt deze overgang verder.

“Deze atomen moeten zich coherent gedragen om te ondersteunen wat de kwantummechanica zegt dat ze zouden moeten doen,” zei Cleland. “Het is best verbazingwekkend. De rare aspecten van de kwantummechanica gaan niet alleen over de grootte.”

Creatie van een nieuwe lineaire kwantummechanische computer

De kracht van kwantumcomputers ligt in de “vreemdheid” van het kwantumrijk. Door gebruik te maken van de vreemde kwantumkrachten van superpositie en verstrengeling, hopen onderzoekers voorheen hardnekkige problemen op te lossen. Een manier om dit te doen is door fotonen te gebruiken in wat een “lineair optische kwantumcomputer” wordt genoemd.

Een lineaire mechanische kwantumcomputer – die fononen gebruikt in plaats van fotonen – zou het potentieel kunnen hebben om nieuwe soorten berekeningen te berekenen. “Het succes van het fonon-interferentie-experiment is het nieuwste stuk dat aantoont dat fononen gelijk zijn aan fotonen, ” zei Cleland. “Het resultaat bevestigt dat we de technologie hebben die we nodig hebben om een ​​lineaire kwantummechanische computer te bouwen.”

READ  Het kan zijn dat een NASA-astronaut zijn verblijf op het internationale ruimtestation heeft verlengd

In tegenstelling tot op fotonen gebaseerde lineaire optische kwantumcomputing, integreert het platform van de Universiteit van Chicago rechtstreeks fononen met qubits. Dit betekent dat fononen ook onderdeel kunnen zijn van een hybride kwantumcomputer die het beste van lineaire kwantumcomputers combineert met de kracht van op qubit gebaseerde kwantumcomputers.

De volgende stap is het creëren van een logische poort – een essentieel onderdeel van computers – met behulp van fononen, die Cleland en zijn team momenteel onderzoeken.

Andere auteurs op het papier zijn É. Dumore, J. Anderson, H. Yan, M. -H. Zhou, J. Greibel, CR Conner, YJ Joshi, JM Miller, RJ Buffay en X Wu.

meer informatie:
Qiao et al., Fononen splitsen: een platform bouwen voor lineaire mechanische kwantumcomputers, Wetenschappen (2023). DOI: 10.1126/science.adg8715. www.science.org/doi/10.1126/science.adg8715

Tijdschrift informatie:
Wetenschappen


Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *