Коли ви вмикаєте лампу, щоб освітити кімнату, ви відчуваєте світлову енергію, яка передається у вигляді фотонів – маленьких, дискретних квантових пакетів енергії.
Ці фотони повинні підкорятися іноді дивним законам квантової механіки, які, наприклад, диктують, що фотони неподільні, але в той же час дозволяють фотону перебувати в двох місцях одночасно.
Подібно до фотонів, з яких складається промінь світла, неподільні квантові частинки, які називаються фононами, складають промінь звуку. Ці частинки виникають з колективного руху квадрильйонів атомів, подібно до того, як “стадіонна хвиля” на спортивній арені виникає завдяки руху тисяч окремих вболівальників. Коли ви слухаєте пісню, ви чуєте потік цих дуже маленьких квантових частинок.
Фонони, спочатку задумані для пояснення теплоємності твердих тіл, за прогнозами, підпорядковуються тим же правилам квантової механіки, що й фотони. Однак технологія генерування і виявлення окремих фононів поки що відстає від технології фотонів.
Ця технологія тільки зараз розробляється, частково моєю дослідницькою групою в Прітцкерській школі молекулярної інженерії Чиказького університету. Ми досліджуємо фундаментальні квантові властивості звуку, розщеплюючи фонони навпіл і сплутуючи їх разом.
Фундаментальні дослідження фононів, які проводить моя група, можуть одного дня дозволити дослідникам побудувати новий тип квантового комп’ютера, який називається механічним квантовим комп’ютером.
Для дослідження квантових властивостей фононів команда використовує акустичні дзеркала, які можуть спрямовувати пучки звуку.
Останні експерименти, опубліковані в нещодавньому випуску Science, однак, включають “погані” дзеркала, так звані розгалужувачі променів, які відбивають приблизно половину звуку, спрямованого на них, і пропускають іншу половину.
Команда вирішила дослідити, що відбувається, коли ми спрямовуємо фонон на розщеплювач пучка.
Оскільки фонон є неподільним, його неможливо розщепити. Натомість, після взаємодії зі світлорозщеплювачем, фонон переходить у так званий “стан суперпозиції”. У цьому стані фонон, як це не парадоксально, і відбивається, і передається, і ви з однаковою ймовірністю можете виявити фонон в обох станах.
Якщо ви втрутитеся і виявите фонон, то половину часу ви будете вимірювати, що він був відбитий, а половину часу – що він пройшов; в певному сенсі, стан вибирається детектором випадковим чином. За відсутності процесу детектування фонон залишатиметься в стані суперпозиції, коли він і передається, і відбивається.
Цей ефект суперпозиції спостерігався багато років тому для фотонів. Наші результати вказують на те, що фонони мають таку саму властивість.
Заплутані фонони
Продемонструвавши, що фонони можуть вступати у квантові суперпозиції так само, як і фотони, моя команда поставила більш складне питання. Ми хотіли дізнатися, що станеться, якщо ми відправимо два однакові фонони в розгалужувач пучка, по одному з кожного напрямку.
Виявляється, що кожен фонон перейде в подібний суперпозиційний стан напівпропущеного і напіввідбитого. Але через фізику розгалужувача променів, якщо ми точно розрахуємо час, фонони будуть квантово-механічно інтерферувати один з одним.
Виникає стан суперпозиції, коли два фонони йдуть в один бік і два фонони йдуть в інший – таким чином, два фонони квантово-механічно переплутані.
При квантовому заплутуванні кожен фонон знаходиться в суперпозиції відбитого і переданого, але два фонони заблоковані разом. Це означає, що виявлення одного фонона як переданого або відбитого змушує інший фонон перебувати в тому ж стані.
Отже, якщо ви виявляєте, ви завжди будете виявляти два фонони, що йдуть в один бік, а не один фонон, що йде в інший бік. Цей самий ефект для світла, поєднання суперпозиції та інтерференції двох фотонів, називається ефектом Хонг-У-Манделя, на честь трьох фізиків, які вперше передбачили і спостерігали його в 1987 році. Тепер моя група продемонструвала цей ефект зі звуком.
Майбутнє квантових обчислень
Ці результати свідчать про те, що тепер, можливо, можна побудувати механічний квантовий комп’ютер, використовуючи фонони.
Тривають зусилля зі створення оптичних квантових комп’ютерів, які потребують лише випромінювання, детектування та інтерференції окремих фотонів. Вони йдуть паралельно зі спробами побудувати електричні квантові комп’ютери, які завдяки використанню великої кількості заплутаних частинок обіцяють експоненціальне прискорення для певних завдань, таких як факторизація великих чисел або моделювання квантових систем.
Квантовий комп’ютер, що використовує фонони, може бути дуже компактним і автономним, повністю побудованим на чіпі, схожому на процесор ноутбука. Його невеликий розмір може полегшити його впровадження і використання, якщо дослідники зможуть розширити і вдосконалити технології на основі фононів.
В експериментах групи з фононами використовуються кубіти – та сама технологія, що лежить в основі електронних квантових комп’ютерів.
