Впервые продемонстрирована работа основного базового элемента для создания основанных на звуке квантовых компьютеров.
Устройство размером с компьютерный чип может управлять звуковыми частицами — подобно тому, как в световых квантовых компьютерах используются световые частицы. Это открывает дверь к созданию звуковых квантовых компьютеров.
Популярным способом создания квантовых компьютеров является кодирование информации в квантовом состоянии частиц света, которые затем пропускаются через лабиринт из зеркал и линз с целью манипулирования этой информации. Эндрю Клиланд из Чикагского университета и его коллеги решили сделать то же самое с «частицами» звука.
Звук возникает при вибрации предметов или субстанций, например, воздуха. Вибрацию материала можно описать как процесс взаимодействия квантовых частиц — фононов.
«Чтобы получить фонон, требуется коллективное движение квадриллионов атомов, но в нашем эксперименте каждый из них ― отдельный квантовый объект. Иногда из рассказов физиков может показаться, что фононы ― это просто удобный трюк для понимания звука, но здесь они очень реальны», ― говорит Клиланд.
Его команда построила устройство размером с компьютерный чип, которое состоит из идеально проводящего материала и может создавать фононы по штуке за раз, прежде чем отправить их в другие части устройства. Чип находится в мощном холодильнике при температуре в сотую долю Кельвина, в таких условиях проявляются квантовые эффекты фононов. Частота вибрации фонона очень высока — в миллион раз выше доступного человеческому уху диапазона.
Ранее исследователи уже создавали подобные чипы, но теперь они добавили компонент под названием делитель пучка. Он состоит из 16 крошечных параллельных полосок из алюминия, спроектированных так, что любой звук, ударяясь об них, отражается и передаётся равными долями. Когда исследователи запустили в него фонон, ― он, вместо того, чтобы разделиться напополам, вошёл в состояние квантовой суперпозиции, где целая частица была одновременно в состоянии отражения и передачи.
Клиланд говорит, что именно на это они и надеялись, поскольку этот процесс является необходимым шагом к выполнению вычислений на квантовых компьютерах, которые работают на световых частицах. Чтобы их чип ещё больше походил на звуковой квантовый компьютер, исследователи, работая со звуковыми частицами, успешно повторили то, что в световом устройстве происходит с фотонами
— когда две частицы света заставляют «общаться друг с другом» с контролем их поведения в ходе вычислений.
Они одновременно запустили два фонона из противоположных направлений в делитель пучка и увидели, что их соответствующие состояния суперпозиции влияют друг на друга. В будущем они надеются использовать эту процедуру для выполнения простых операций, из которых и состоят компьютерные программы.
Дирк Боумеестер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре говорит, что такие процедуры, как квантовая телепортация или создание квантовой запутанности, зависят от использования делителей пучка, и что теперь их можно выполнять также и с помощью звуковых частиц. «То, что этой команде удалось заменить фотоны фононами ― действительно впечатляет», ― говорит он.
Поскольку много различных квантовых объектов взаимодействуют со звуком, в будущих экспериментах можно также воспользоваться фононами для передачи квантовой информации между различными трудносоединяемыми компонентами квантового вычислительного чипа, ― говорит Ивен Чу из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе.
Для Клиленда создание звукового квантового компьютера важно не только как очередной способ конструирования устройства, которое в итоге решит сложнейшие задачи, в данный момент недоступные для традиционных компьютеров.
«Я надеюсь узнать, до каких пределов мы сможем применить квантовую физику к механическим объектам. Фононы в своём роде более материальны, чем свет, в них больше «мяса», но они демонстрируют такое же квантовое поведение. Для меня это удивительно», ― говорит он.
Автор оригинальной публикации: Камела Падавич-Каллагэн (Karmela Padavic-Callaghan)
Ссылка на журнал: Science DOI: 10.1126/science.adg8715
