نوع جدیدی از کامپیوتر کوانتومی می تواند بر اساس فیزیک عجیب امواج صوتی ساخته شود

هنگامی که یک لامپ را روشن می کنید تا اتاقی را روشن کنید، انرژی نوری منتقل شده به صورت فوتون را تجربه می کنید که بسته های کوانتومی کوچک و مجزای انرژی هستند.این فوتون‌ها باید از قوانین گاهی عجیب مکانیک کوانتومی پیروی کنند، که برای مثال حکم می‌کند که فوتون‌ها تقسیم‌ناپذیر هستند، اما در عین حال به فوتون اجازه می‌دهند که در دو مکان در آن واحد باشد.

مشابه فوتون هایی که پرتوهای نور را می سازند، ذرات کوانتومی تقسیم ناپذیری که فونون نامیده می شوند، پرتویی از صوت را تشکیل می دهند. این ذرات از حرکت جمعی کوادریلیون ها اتم پدید می آیند، همان طور که یک “موج استادیوم” در یک میدان ورزشی به دلیل حرکت هزاران نفر از هواداران است. وقتی به آهنگی گوش می دهید، جریانی از این ذرات کوانتومی بسیار کوچک را می شنوید.

پیش‌بینی می‌شود که فونون‌ها که در ابتدا برای توضیح ظرفیت‌های گرمایی جامدات طراحی شده‌اند، از قوانین مکانیک کوانتومی مشابه فوتون‌ها پیروی می‌کنند. با این حال، فناوری تولید و شناسایی فونون‌ها از فوتون‌ها عقب مانده است.

این فناوری تنها در حال حاضر توسط گروه تحقیقاتی من در دانشکده مهندسی مولکولی پریتزکر در دانشگاه شیکاگو در حال توسعه است. ما در حال بررسی خواص کوانتومی اساسی صدا با تقسیم فونون ها به دو نیم و درهم تنیدگی آنها هستیم.

تحقیقات بنیادی گروه من در مورد فونون ها ممکن است روزی به محققان اجازه دهد تا نوع جدیدی از کامپیوتر کوانتومی به نام کامپیوتر کوانتومی مکانیکی بسازند.

تقسیم صدا با آینه های “بد”.

برای بررسی خواص کوانتومی فونون ها، تیم ما از آینه های صوتی استفاده می کند که می توانند پرتوهای صوت را هدایت کنند.

با این حال، آخرین آزمایش‌های ما، که در شماره اخیر Science منتشر شد، شامل آینه‌های «بد» به نام پرتوهای تقسیم‌کننده است که تقریباً نیمی از صدای ارسالی به سمت آنها را منعکس می‌کنند و نیمی دیگر را از آن عبور می‌دهند.

نمودار عبور پرتوهای صوتی و انعکاس آن از یک شکاف

یک تقسیم کننده پرتو برای فونون ها – فونون وارد یک حالت برهم نهی می شود که در آن بازتاب می شود و تا زمانی که تشخیص داده شود منتقل می شود. (A.N. Cleland)

تیم ما تصمیم گرفت بررسی کند که وقتی یک فونون را به سمت یک تقسیم کننده پرتو هدایت می کنیم چه اتفاقی می افتد.

همانطور که یک فونون تقسیم ناپذیر است. نمی توان آن را تقسیم کرد. در عوض، پس از برهمکنش با شکاف دهنده پرتو، فونون به حالتی ختم می‌شود که «وضعیت ابرپوزیشن» نامیده می‌شود. در این حالت، فونون، تا حدی متناقض، هم منعکس شده و هم منتقل می‌شود، و شما به همان اندازه احتمال دارد که فونون را در هر دو حالت تشخیص دهید.

اگر مداخله کنید و فونون را تشخیص دهید، نیمی از زمانی که منعکس شده و نیمی از زمانی که مخابره شده است را اندازه می گیرید. به یک معنا، حالت به طور تصادفی توسط آشکارساز انتخاب می شود. در غیاب فرآیند تشخیص، فونون در حالت برهم نهی باقی می ماند که هم ارسال می شود و هم بازتاب می شود.

این اثر برهم نهی سال ها پیش با فوتون ها مشاهده شد. نتایج ما نشان می دهد که فونون ها دارای ویژگی یکسانی هستند.

فونون های درهم

تیم من پس از اثبات این که فونون ها می توانند مانند فوتون ها به برهم نهی های کوانتومی بروند، سوال پیچیده تری پرسیدند. ما می‌خواستیم بدانیم اگر دو فوفون یکسان را از هر جهت یکی به داخل تقسیم‌کننده پرتو بفرستیم چه اتفاقی می‌افتد.

به نظر می رسد که هر فونون به حالت برهم نهی مشابه نیمه ارسالی و نیمه بازتابیده می رود. اما به دلیل فیزیک شکاف دهنده پرتو، اگر فونون ها را دقیقاً زمان بندی کنیم، آنها از نظر مکانیکی کوانتومی با یکدیگر تداخل خواهند داشت.

آنچه پدیدار می شود در واقع یک حالت برهم نهی است از دو فونون که در یک سمت حرکت می کنند و دو فونون به سمت دیگر حرکت می کنند – بنابراین این دو فونون از نظر مکانیکی کوانتومی درهم تنیده شده اند.

در درهم تنیدگی کوانتومی، هر فونون در یک برهم نهی منعکس شده و ارسال شده قرار دارد، اما دو فونون در کنار هم قفل شده اند. این بدان معنی است که تشخیص یک فونون به عنوان ارسال شده یا منعکس شده، فونون دیگر را مجبور می کند در همان حالت قرار گیرد.

بنابراین، اگر تشخیص دهید، همیشه دو فونون را تشخیص خواهید داد، به یک طرف یا آن طرف می روند، هرگز یک فونون در هر طرف حرکت نمی کند. همین اثر برای نور، ترکیب برهم نهی و تداخل دو فوتون، اثر هونگ اوماندل نامیده می شود، به نام سه فیزیکدانی که برای اولین بار در سال 1987 آن را پیش بینی و مشاهده کردند. اکنون گروه من این اثر را با صدا نشان داده است.

آینده محاسبات کوانتومی

این نتایج نشان می دهد که اکنون ممکن است بتوان یک کامپیوتر کوانتومی مکانیکی با استفاده از فونون ها ساخت.

تلاش‌های مداومی برای ساخت رایانه‌های کوانتومی نوری وجود دارد که فقط به گسیل، تشخیص و تداخل فوتون‌های منفرد نیاز دارند. اینها به موازات تلاش‌ها برای ساخت رایانه‌های کوانتومی الکتریکی هستند که از طریق استفاده از تعداد زیادی ذرات درهم‌تنیده، نوید افزایش نمایی را برای مشکلات خاص، مانند فاکتورگیری اعداد بزرگ یا شبیه‌سازی سیستم‌های کوانتومی، می‌دهند.

یک کامپیوتر کوانتومی با استفاده از فونون‌ها می‌تواند بسیار فشرده و مستقل باشد و کاملاً بر روی تراشه‌ای شبیه به پردازنده لپ‌تاپ ساخته شود. اندازه کوچک آن می تواند پیاده سازی و استفاده از آن را آسان تر کند، اگر محققان بتوانند فناوری های مبتنی بر فونون را بیشتر گسترش دهند و بهبود بخشند.

آزمایش‌های گروه من با فونون‌ها از کیوبیت‌ها استفاده می‌کند – همان فناوری که رایانه‌های کوانتومی الکترونیکی را نیرو می‌دهد – به این معنی که با فرارسیدن فناوری فونون‌ها، پتانسیل ادغام رایانه‌های مبتنی بر فونون با رایانه‌های کوانتومی الکترونیکی وجود دارد. انجام این کار می تواند توانایی های محاسباتی جدید و بالقوه منحصر به فردی را به همراه داشته باشد. گفتگو

اندرو ان. کلیلند، استاد نوآوری و شرکت مهندسی مولکولی، دانشکده مهندسی مولکولی پریتزکر دانشگاه شیکاگو

این مقاله از The Conversation تحت مجوز Creative Commons بازنشر شده است.