Применив квантовую механику, учёным впервые удалось временно разделить фононы — составляющие звуковых волн, ранее считавшиеся неразложимыми. Сходство с фотонами (частицами света) открывает путь для создания квантовых компьютеров с необычными вычислительными возможностями.
В физике фонон представляет квант звуковой вибрации, самую маленькую часть звуковой волны. Фононы существуют только в кристаллическом материале, так же как фотоны могут двигаться в вакууме, для движения фононов нужна среда, например воздух или вода, или поверхность упругого материала. Если уменьшение яркости света равно уменьшению количества фотонов, то уменьшение громкости звука равно уменьшению количества фононов.
Несмотря на то что отдельный фонон — это совместное движение множества атомов, энергия, которую он несет, невелика. В квантовой механике его описывают как волну-корпускулу (как у света), проявляющуюся в виде либо волны, либо элементарного пакета. Если материю можно разделить на частицы, подобные протон и электрон, то разделить фононы до сих пор считалось невозможным.
Недавно проведенное изучение, представленное в издании… Гипотеза о разделении фонона посредством специального квантового явления предполагается. Аналогично принципу квантовой делимости света, подобный эффект может использоваться для звука или колебаний. Никто еще не исследовал этот вопрос— говорит Эндрю Клеланд, физик из Чикагского университета и один из ведущих авторов исследования. Клеланд и его коллеги считают, что это исследование потенциально может привести к разработке новых квантовых архитектур для вычислений, подобных тем, которые в настоящее время разрабатываются с использованием фотонов.
Разделение, могущее стать фундаментом для квантовых «ворох».
Новое исследование использует воздействие квантового расщепителя луча на фононы. Это устройство принимает «поток» падающих фононов, половина которых отражается при контакте с фононным расщепителем луча. Принцип аналогичен, когда система получает один фонон, который переходит в квантовое состояние и движется в двух направлениях. Отраженный и переданный фонон взаимодействуют посредством интерференции и могут перемещаться из первоначального положения.
Работа устройства проявлялась на звуке с частотой, превышающей слышимую для человека в несколько миллионов раз. Устройство охлаждалось до температуры, близкой к абсолютному нулю. Это охлаждение необходимо потому что при температуре выше нуля кристаллическая решетка не обладает постоянной энергией и случайным образом колеблется вокруг среднего значения. Такие колебания вызываются случайными вибрациями атомов под воздействием тепла.
Кроме того, сверхпроводящие кубиты (носители квантовой информации) использовались вместо динамиков и микрофонов для излучения и приема звука соответственно. Затем параметры смещения звука изменяли, чтобы изменить взаимодействие передаваемых и отраженных фононов друг с другом. Такие манипуляции позволили исследователям добиться того, что переданный фонон был принят либо исходным кубитом, либо кубитом, находящимся по другую сторону фононного расщепителя луча, после его контакта.
Учёные подтвердили квантовое поведение фононов, направив их одновременно на два кубита. Фононы были направлены так, чтобы двигаться к разветвителю луча в одно и то же время и затем к месту назначения. Предполагается, что фононы всегда непредсказуемо движутся к кубитам, но всегда оказываются на одном и том же кубите при одновременном попадании на делитель луча.
Без законов квантовой физики движение фононов не было бы коррелировано с областями их приземления после прохождения расщепителя луча. Эффект разделения может стать основой для создания «квантовых ворот» — основных элементов схем в квантовых вычислениях. Дальше в эксперименте нужно показать возможность создания квантовых вентилей при помощи фононов. Это будут первые вентили в системе, необходимой для проведения практических вычислений. «, — заключает Клиланд.