Как расщепление звука может привести к созданию нового типа квантового компьютера

Когда вы включаете лампу, чтобы осветить комнату, вы ощущаете световую энергию, передаваемую в виде фотонов, которые представляют собой небольшие дискретные квантовые пакеты энергии. Эти фотоны должны подчиняться иногда странным законам квантовой механики, которые, например, диктуют, что фотоны неделимы, но в то же время позволяют фотону находиться в двух местах одновременно.

Подобно фотонам, образующим лучи света, неделимые квантовые частицы, называемые фононами, составляют луч звука. Эти частицы возникают в результате коллективного движения квадриллионов атомов, подобно тому, как «волна на стадионе» на спортивной арене возникает из-за движения тысяч отдельных болельщиков. Когда вы слушаете песню, вы слышите поток очень маленьких квантовых частиц.

Изначально предполагалось, что фононы подчиняются тем же правилам квантовой механики, что и фотоны, и объясняют теплоемкость твердых тел. Однако технология генерации и обнаружения отдельных фононов отстает от технологии фотонов.

Эта технология только сейчас разрабатывается, частично моей исследовательской группой в Притцкеровской школе молекулярной инженерии Чикагского университета. Мы исследуем фундаментальные квантовые свойства звука, расщепляя фононы пополам и запутывая их вместе.

Фундаментальные исследования фононов, проводимые моей группой, могут однажды позволить исследователям построить новый тип квантового компьютера, названный механическим квантовым компьютером.

Чтобы исследовать квантовые свойства фононов, наша команда использует акустические зеркала, которые могут направлять лучи звука. Однако наши последние эксперименты, опубликованные в недавнем выпуске журнала Science, включают «плохие» зеркала, называемые светоделителями, которые отражают около половины звука, посылаемого к ним, и пропускают другую половину. Наша команда решила изучить, что происходит, когда мы направляем фонон на светоделитель.

Поскольку фонон неделим; его нельзя разделить. Вместо этого, после взаимодействия с светоделителем, фонон попадает в так называемое «состояние суперпозиции». В этом состоянии фонон, как это ни парадоксально, одновременно отражается и передается, и вы с одинаковой вероятностью обнаружите фонон в любом состоянии. Если вы вмешаетесь и обнаружите фонон, вы будете измерять половину времени, пока он был отражен, и половину времени, когда он был передан; в некотором смысле состояние выбирается детектором случайным образом. В отсутствие процесса обнаружения фонон останется в состоянии суперпозиции, будучи как передаваемым, так и отражаемым.

Этот эффект суперпозиции наблюдался много лет назад на фотонах. Наши результаты показывают, что фононы обладают тем же свойством.

Продемонстрировав, что фононы могут входить в квантовые суперпозиции так же, как это делают фотоны, моя команда задала более сложный вопрос. Мы хотели знать, что произойдет, если мы отправим в светоделитель два одинаковых фонона, по одному с каждого направления.

Оказывается, каждый фонон перейдет в аналогичное состояние суперпозиции — полупрошедшего и полуотраженного. Но из-за физики светоделителя, если мы точно рассчитаем время фононов, они будут квантово-механически интерферировать друг с другом. На самом деле возникает состояние суперпозиции двух фононов, движущихся в одну сторону, и двух фононов, идущих в другую – таким образом, два фонона квантовомеханически запутаны.

В квантовой запутанности каждый фонон находится в суперпозиции отраженного и прошедшего, но два фонона заблокированы вместе. Это означает, что обнаружение одного фонона как переданного или отраженного заставляет другой фонон находиться в том же состоянии.

Итак, если вы обнаружите, вы всегда обнаружите два фонона, идущие в ту или иную сторону, а не по одному фонону, идущему в каждую сторону. Тот же эффект для света, комбинация суперпозиции и интерференции двух фотонов, называется эффектом Хонг-У-Манделя, в честь трех физиков, которые впервые предсказали и наблюдали его в 1987 году. Теперь моя группа продемонстрировала этот эффект со звуком.

Эти результаты позволяют предположить, что теперь возможно построить механический квантовый компьютер с использованием фононов. Продолжаются попытки создать оптические квантовые компьютеры, которые требуют только излучения, обнаружения и интерференции одиночных фотонов. Эти усилия идут параллельно с усилиями по созданию электрических квантовых компьютеров, которые за счет использования большого количества запутанных частиц обещают экспоненциальное ускорение решения определенных задач, таких как факторизация больших чисел или моделирование квантовых систем.