Шаг к новому типу квантового компьютера: физики расщепляют фононы

Разработка линейно-механических квантовых вычислений посредством расщепления фононов — новая область исследований. Эта технология может революционизировать наши представления о вычислениях и приведет в конечном итоге к новой эре квантовых вычислений.

Расщепление фононов — это процесс, при котором фонон или квант колебательной энергии расщепляется на два или более фонона. Специалисты из Чикагского университета исследовали квантовые свойства фононов — квантовых частиц, передающих звук. Эксперимент показал, что фононы можно расщепить на квантовую суперпозицию — тогда они будут вести себя как фотоны. Таким образом, фононы можно использовать в новом типе квантового компьютера — линейно-механическом, который может выполнять уникальные вычисления.

Фононы имеют много общего с фотонами — мельчайшими частицами света. Уменьшить громкость звука — это то же самое, что уменьшить количество фононов, подобно тому, как приглушение света уменьшает количество фотонов. Самые тихие звуки состоят из отдельных фононов. Да, когда мы слушаем музыку, то нам кажется, что мы слышим непрерывную волну звука. Однако звук передается в виде отдельных фононов.

Законы квантовой механики предполагают, что все квантовые частицы невозможно разделить. Однако авторы исследования, опубликованного в Science, решили изучить, что происходит, когда мы пытаемся расщепить фонон.

В эксперименте группа ученых из Чикагского университета использовала акустический светоделитель, чтобы расщепить фононы.

Светоделитель способен разделять звуковой пучок пополам, передавая половину и отражая другую половину обратно к его источнику. В системе также присутствует два кубита для генерации и детектирования фононов.

В опыте были использованы фононы, высота звука которых примерно в миллион раз выше, чем способно распознать ухо человека. Когда физики отправили одиночный фонон в светоделитель, вместо разделения он перешел в квантовую суперпозицию — состояние, в котором частица одновременно отражается и передается. И ученые смогли поддерживать это состояние, улавливая фонон в двух кубитах.

Только один кубит на самом деле захватывает фонон, но сначала, без измерений, не удалось определить, какой именно кубит это делает. После измерения суперпозиции двух кубитов исследователи получили стандартное доказательство того, что светоделитель создает квантово-запутанное состояние.

В ходе эксперимента удалось продемонстрировать, что светоделитель можно применять как для создания особого состояния квантовой суперпозиции для одного фонона, так и для дальнейшего формирования интерференции между двумя фононами. А это уже — первые важные шаги на пути к созданию квантового компьютера нового типа.

Линейно-механический квантовый компьютер, задействующий фононы вместо фотонов, сам по себе сможет выполнять новые виды вычислений. Успех эксперимента окончательно доказывает, что фононы эквивалентны фотонам, то есть у ученых фактически имеется технология, необходимая для создания линейно-механического квантового компьютера.

Метод многообещающий — потенциал расщепления фононов огромен. Разделив фононы на два различных энергетических состояния, можно создать систему для выполнения квантовых операций, например, с квантовыми схемами, квантовыми логическими элементами (или квантовыми вентилями), квантовой телепортацией и для квантовой коррекции ошибок. Кроме того, расщепление фононов можно применять для создания квантовой памяти, чтобы хранить соответствующую информацию.