Расщепление звука приведет к созданию квантового компьютера
Когда вы включаете лампу, чтобы осветить комнату, вы испытываете 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, которые составляют лучи света, неделимые квантовые частицы, называемые фононами, составляют луч звука. Эти частицы возникают в результате коллективного движения квадриллионов атомов подобно тому, как «стадионная волна» на спортивной арене возникает из-за движения тысяч отдельных болельщиков. Когда вы слушаете песню, вы слышите поток этих очень маленьких квантовых частиц.
Первоначально задуманные для объяснения теплоемкости твердых тел, фононы, согласно предсказаниям, подчиняются тем же правилам квантовой механики, что и фотоны. Однако технология генерации и обнаружения отдельных фононов отстает от технологии для фотонов. Эта технология только сейчас разрабатывается, частично моей исследовательской группой в Притцкеровской школе молекулярной инженерии Чикагского университета. Мы изучаем фундаментальные квантовые свойства звука, разделяя фононы пополам и сплетая их вместе. Фундаментальные исследования фононов, проводимые моей группой, могут однажды позволить исследователям построить новый тип квантового компьютера, который называется механическим квантовым компьютером.
Чтобы исследовать квантовые свойства фононов, наша команда использует акустические зеркала, которые могут направлять звуковые лучи. Наши последние эксперименты, опубликованные в недавнем выпуске журнала Science, однако, включают в себя «плохие» зеркала, называемые светоделителями, которые отражают примерно половину направленного к ним звука и пропускают другую половину. Наша команда решила исследовать, что происходит, когда мы направляем фонон на светоделитель. Как фонон неделим; его нельзя разделить. Вместо этого после взаимодействия с светоделителем фонон оказывается в так называемом «состоянии суперпозиции». В этом состоянии фонон, как это ни парадоксально, и отражается, и передается, и вы с равной вероятностью обнаружите фонон в любом состоянии. Если вы вмешаетесь и обнаружите фонон, половину времени вы будете измерять, когда он отражался, и половину времени, когда он передавался; в некотором смысле состояние выбирается детектором случайным образом. В отсутствие процесса обнаружения фонон останется в состоянии суперпозиции, когда он одновременно передается и отражается.
Этот эффект суперпозиции наблюдался много лет назад с фотонами. Наши результаты показывают, что фононы обладают тем же свойством. После демонстрации того, что фононы могут вступать в квантовые суперпозиции так же, как и фотоны, моя команда задала более сложный вопрос. Мы хотели знать, что произойдет, если мы направим в светоделитель два идентичных фонона, по одному с каждого направления. Получается, что каждый фонон будет переходить в подобное состояние суперпозиции полупропущенного и полуотраженного. Но из-за физики светоделителя, если мы точно синхронизируем фононы, они будут квантово-механически интерферировать друг с другом. На самом деле возникает состояние суперпозиции двух фононов, идущих в одну сторону, и двух фононов, идущих в другую — таким образом, два фонона квантово-механически запутаны.
В квантовой запутанности каждый фонон находится в суперпозиции отражения и прохождения, но два фонона заперты вместе. Это означает, что обнаружение одного фонона как прошедшего или отраженного приводит к тому, что другой фонон находится в том же состоянии. Итак, если вы обнаружите, вы всегда обнаружите два фонона, движущихся в одну сторону или в другую, и никогда не обнаружите один фонон, движущийся в разные стороны. Тот же самый эффект для света, комбинация суперпозиции и интерференции двух фотонов, называется эффектом Хонга-У-Манделя в честь трех физиков, которые впервые предсказали и наблюдали его в 1987 году. Теперь моя группа продемонстрировала этот эффект с помощью звука.
Эти результаты предполагают, что теперь возможно построить механический квантовый компьютер с использованием фононов. Продолжаются усилия по созданию оптических квантовых компьютеров, которые требуют только излучения, обнаружения и интерференции одиночных фотонов. Это параллельно с усилиями по созданию электрических квантовых компьютеров, которые за счет использования большого количества запутанных частиц обещают экспоненциальное ускорение для определенных задач, таких как факторизация больших чисел или моделирование квантовых систем. Квантовый компьютер, использующий фононы, может быть очень компактным и автономным, полностью построенным на чипе, подобном процессору портативного компьютера. Его небольшой размер может упростить реализацию и использование, если исследователи смогут и дальше расширять и улучшать технологии на основе фононов. В экспериментах моей группы с фононами используются кубиты — та же технология, которая используется в электронных квантовых компьютерах, — а это означает, что по мере того, как технология для фононов догоняет, появляется потенциал для интеграции компьютеров на основе фононов с электронными квантовыми компьютерами. Это может дать новые, потенциально уникальные вычислительные возможности.
