توسعه رایانه‌های کوانتومی با «تقسیم صدا»

به گزارش آی‌ای، فونون‌ها برای صوت، همان چیزی هستند که فوتون‌ها برای نور هستند. فوتون‌ها بسته‌های کوچک انرژی برای نور یا امواج الکترومغناطیسی هستند. به شکل مشابه، فونون‌ها بسته‌های انرژی برای امواج صوتی هستند. هر فونون نشان دهنده ارتعاش میلیون‌ها اتم در یک ماده است.

فوتون‌ها و فونون‌ها هر دو در تحقیقات محاسبات کوانتومی که از خواص این ذرات کوانتومی استفاده می‌کنند، مورد توجه هستند. با این حال، مطالعات فونون‌ها به دلیل حساسیت آنها به نویز و مشکلات مقیاس پذیری و تشخیص، چالش برانگیز است.

اکنون در یک مطالعه پیشگامانه، دانشمندان با موفقیت فونون‌ها را جدا کرده‌اند که مسیر را برای نوع جدیدی از رایانه‌های کوانتومی به نام رایانه‌های کوانتومی مکانیکی خطی هموار می‌کند.

پژوهشی که توسط پروفسور اندرو کلیلند از دانشکده مهندسی مولکولی پریتزکر(PME) در دانشگاه شیکاگو هدایت شد، دو آزمایش را با استفاده از یک پرتوی شکاف صوتی برای تقسیم فونون‌ها نشان داد.

این به آنها کمک کرد تا دو پدیده کوانتومی اساسی را که قبلاً فقط در فوتون‌ها دیده می‌شد، مشاهده کنند.

تقسیم کننده پرتو با تک فونون

تقسیم، در زمینه محاسبات کوانتومی، به توانایی دستکاری و کنترل حالات کوانتومی اشاره دارد.

دانشمندان در آزمایشات خود از فونون‌هایی با فرکانس‌های بسیار فراتر از محدوده شنوایی انسان استفاده کردند. آنها برای اولین بار از شکاف دهنده پرتوی صوتی برای شکافتن یک فونون استفاده کرد.

فونون به محض ورود به شکاف دهنده، وارد یک حالت برهم نهی شد و به طور همزمان مخابره و منعکس شد. این به دلیل پدیده‌ای به نام تداخل اتفاق می‌افتد.

برای حفظ حالت برهم‌نهی، فونون در دو کیوبیت گرفته شد. کیوبیت‌ها واحدهای پایه اطلاعات کوانتومی مشابه با بیت‌ها در رایانه‌های سنتی هستند.

تا زمانی که اندازه‌گیری(یا مشاهده) روی سیستم انجام نشود، اطلاعات مربوط به اینکه کدام کیوبیت، فونون را گرفته است، در دسترس نیست. این باعث می‌شود که حالت برهم نهی فرو بریزد و اطلاعات آشکار شود.

قبل از اندازه‌گیری، حضور فونون در هر دو کیوبیت پخش شد و ویژگی برهم نهی کوانتومی را نشان داد. اما اندازه‌گیری برهم‌نهی دو کیوبیتی پدیده‌ای به نام درهم تنیدگی را در محاسبات کوانتومی آشکار کرد.

درهم تنیدگی به ارتباط بین دو یا چند کیوبیت اشاره دارد، به طوری که وضعیت یک کیوبیت به حالت سایر کیوبیت‌ها بستگی دارد، حتی زمانی که از نظر فیزیکی از هم جدا شوند و نمی‌توان آن را به طور مستقل توصیف کرد.

تداخل دو فونون

گروه برای آزمایش بعدی می‌خواست اثر هونگ اوماندل(Hong-Ou-Mandel) را که برای اولین بار با فوتون‌ها در دهه ۱۹۸۰ مشاهده شد، نشان دهد. هنگامی که دو فوتون یکسان در جهات مخالف به یک تقسیم کننده پرتو به طور همزمان منتقل می‌شوند، تداخل می‌کنند. حالت روی هم قرار گرفته به گونه‌ای است که دو فوتون با هم در یک جهت حرکت می‌کنند.

این گروه نشان داد که وقتی دو فونون یکسان به طور همزمان به یک شکاف دهنده پرتو فرستاده می‌شوند، خروجی‌ها، تداخل را نشان می‌دهند و در نتیجه دو فونون همیشه با هم در یکی از جهت‌های خروجی شناسایی می‌شوند.

این اثر که به عنوان تداخل دو فونون شناخته می‌شود، شواهدی را ارائه داد که بر خلاف ناتوانی کیوبیت‌ها در گرفتن دو فونون به طور همزمان، هر دو فونون در یک جهت حرکت می‌کردند.

هر دو آزمایش در دماهای بسیار پایین انجام شد و از فونون‌های موج صوتی سطحی بر روی لیتیوم نیوبات، ماده‌ای که منجر به پدیده‌های کوانتومی می‌شود، استفاده شد.

این نمایش دو پدیده کوانتومی عجیب یا شبح‌وار با فونون‌ها استثنایی بود.

مهار خواص کوانتومی درهم تنیدگی و برهم نهی با فونون‌ها برای ساخت رایانه‌های کوانتومی مکانیکی خطی ضروری است. این رایانه‌ها می‌توانند راه هایی را به روی انواع محاسبات جدید باز کنند.

کلیلند نویسنده اصلی این مطالعه در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: موفقیت آزمایش تداخل دو فونون آخرین قطعه‌ای است که نشان می‌دهد فونون‌ها معادل فوتون هستند. نتیجه تایید می‌کند که ما فناوری لازم برای ساختن یک رایانه کوانتومی مکانیکی خطی را داریم.

یافته‌های این مطالعه در مجله Science منتشر شده است.