Ученые «разделили» фононы в поисках нового типа квантового компьютера

Ученые из Университета Чикаго продемонстрировали квантовые свойства фононов - квантовых частиц звука - с помощью специального устройства, называемого акустическим делителем пучков. Это первый шаг к созданию нового рода квантового компьютера, основанного на механических колебаниях атомов или молекул в твердых телах.

Фононы - это коллективные возбуждения в периодической, упругой структуре атомов или молекул в конденсированном состоянии, в частности, в твердых телах и некоторых жидкостях. Фононы можно рассматривать как квантованные звуковые волны, аналогично фотонам как квантованным световым волнам.

Исследование фононов является важной частью физики конденсированного состояния. Они играют большую роль во многих физических свойствах конденсированных систем, таких как теплопроводность и электропроводность, а также в моделях рассеяния нейтронов и связанных с ним эффектах.

Концепция фононов была введена в 1932 году советским физиком Игорем Таммом. Название фонон происходит от греческого слова φωνή (phonē), которое означает звук или голос, потому что длинноволновые фононы порождают звук. Название аналогично слову фотон.

В экспериментах ученые использовали фононы, имеющие примерно миллион раз более высокую частоту, чем может быть услышано человеческим ухом. Ранее команда профессора Эндрю Клилэнда научилась создавать и обнаруживать одиночные фононы и была первой, кто запутал два фонона.

Чтобы продемонстрировать квантовые возможности фононов, команда, включая аспиранта Клилэнда Хонг Цяо, создала делитель пучков, который может разделить пучок звука пополам, передавая половину и отражая другую половину обратно к источнику (делители пучков уже существуют для света и использовались для демонстрации квантовых возможностей фотонов).

Вся система, включая два кубита для генерации и обнаружения фононов, работает при очень низких температурах и использует индивидуальные поверхностные акустические волновые фононы, которые распространяются по поверхности материала, в данном случае ниобата лития.

Однако квантовая физика говорит, что одиночный фонон является неделимым. Поэтому, когда команда отправила один фонон к делителю пучков, вместо разделения он перешел в квантовое суперпозиционное состояние, состояние, в котором фонон одновременно отражается и передается. Наблюдение (измерение) фонона приводит к тому, что это квантовое состояние рушится в один из двух выходов.

Кубит - это основная единица информации в квантовых вычислениях. Только один кубит фактически захватывает фонон, но ученые не могут сказать, какой кубит, пока не проведут пост-измерение. Другими словами, фонон находится в суперпозиции двух возможных выходов до тех пор, пока его не измерят.

Это явление называется квантовой интерференцией и является основой для создания нового типа квантового компьютера, который будет использовать механические колебания вместо электрических или оптических сигналов для обработки информации.

"Это первый шаг к созданию линейного механического квантового компьютера (LMQC), который будет работать на основе интерференции двух фононов", - сказал Клилэнд.

LMQC будет иметь ряд преимуществ перед другими типами квантовых компьютеров, такими как суперпроводящие или ионные ловушки. Он будет более устойчив к шуму и потерям информации, а также более эффективен с точки зрения энергии и скорости.

"Мы надеемся, что это откроет новые возможности для исследования и разработки квантовых технологий на основе механических колебаний", - добавил Цяо.

Исследование было опубликовано в журнале Science и основывалось на многолетней прорывной работе по фононам команды из Pritzker School of Molecular Engineering.