Используя принципы квантовой механики, физикам впервые удалось временно расщепить фононы - самые маленькие составляющие звуковых волн - которые, как считалось ранее, невозможно "расщепить". Их сходство с фотонами (частицами света) предполагает потенциальное применение в разработке квантовых компьютеров с совершенно новыми вычислительными возможностями.
В физике фонон обозначает квант звуковой вибрации, наименьшую составляющую звуковой волны. Фононы могут существовать только в кристаллическом материале, то есть, в отличие от фотонов, которые могут двигаться в вакууме, для их движения необходима среда, такая как воздух или вода, или поверхность упругого материала. Если уменьшение интенсивности источника света эквивалентно уменьшению количества фотонов, то уменьшение громкости звука эквивалентно уменьшению количества фононов.
Хотя отдельный фонон представляет собой коллективное движение нескольких миллиардов атомов, он несет лишь очень небольшое количество энергии. В квантовой механике он характеризуется дуализмом волна-корпускула (как свет), проявляясь либо как волна, либо как "элементарный пакет". Если материю в целом можно разделить на несколько субатомных частиц, таких как протоны и электроны, то разделить фононы до сих пор считалось невозможным.
Однако новое исследование, опубликованное в журнале Science, предполагает, что фонон может быть временно разделен с помощью особого квантового эффекта. Подобно свету, принцип квантовой делимости может быть применен, например, к звуку или вибрациям. "Никто еще не исследовал этот вопрос", — говорит Эндрю Клеланд, физик из Чикагского университета и один из ведущих авторов исследования. Он и его коллеги считают, что это исследование потенциально может привести к разработке новых квантовых архитектур для вычислений, более или менее похожих на те, которые в настоящее время разработаны с использованием фотонов.
Эксперимент в новом исследовании включает в себя использование влияния квантового расщепителя луча на фононы. Это устройство для приема "потока" падающих фононов, половина из которых отражается, когда они вступают в контакт с фононным расщепителем луча. Тот же принцип применяется, когда система получает один фонон, который затем переходит в квантовое состояние, в котором он движется в двух разных направлениях. Отраженный и переданный фонон взаимодействует сам с собой посредством интерференционного процесса и может перемещаться из своего первоначального положения.
Действие устройства наблюдалось на звуке, частота которого в несколько миллионов раз выше, чем слышимым человеком. Все устройство подвергалось воздействию температуры, близкой к абсолютному нулю. Такое охлаждение необходимо потому, что когда кристаллическая решетка оказывается в среде с температурой выше нуля, ее энергия не является постоянной и колеблется случайным образом вокруг среднего значения. Эти колебания вызваны случайными вибрациями атомов под воздействием тепла.
Кроме того, сверхпроводящие кубиты (несущие квантовую информацию) были использованы вместо динамиков и микрофонов для излучения и приема звука соответственно. Затем параметры смещения звука были изменены, чтобы изменить способ взаимодействия переданных и отраженных фононов друг с другом. Эти манипуляции позволили исследователям добиться того, что переданный фонон был принят либо исходным кубитом, либо кубитом, находящимся по другую сторону фононного расщепителя луча, после контакта с ним.
Затем исследователи подтвердили квантовое поведение фононов, отправив их одновременно на два кубита. Точнее, фононы были направлены так, чтобы они двигались к разветвителю луча в одно и то же время, а затем к месту назначения. Таким образом, предполагается, что они всегда непредсказуемо движутся к кубитам, но всегда оказываются на одном и том же кубите, когда они одновременно попадают на делитель луча.
Если бы мы рассматривали движение фононов без законов квантовой физики, то не было бы никакой корреляции между областями, где они приземляются после попадания в расщепитель луча. Этот эффект разделения потенциально может послужить основой для создания "квантовых ворот", основных строительных блоков схем в квантовых вычислениях.
"Следующий логический шаг в этом эксперименте - продемонстрировать, что мы можем создать квантовые ворота с помощью фононов. Это будут первые ворота в сборке, которые понадобятся для проведения реальных вычислений", — заключает Клиланд.