Forscher „spalten“ Phononen im Zuge eines neuen Quantencomputertyps

Wenn wir unser Lieblingslied hören, wird das, was wie eine kontinuierliche Musikwelle klingt, tatsächlich in Form winziger Pakete von Quantenteilchen, sogenannten Phononen, übertragen.

Die Gesetze der Quantenmechanik besagen, dass Quantenteilchen grundsätzlich unteilbar sind und daher nicht gespalten werden können. Forscher der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) an der University of Chicago untersuchen jedoch, was passiert, wenn man versucht, ein Phonon zu spalten.

In zwei Experimenten – den ersten ihrer Art – verwendete ein Team unter der Leitung von Prof. Andrew Cleland ein Gerät namens akustischer Strahlteiler, um Phononen zu „spalten“ und dadurch ihre Quanteneigenschaften zu demonstrieren. Indem das Forscherteam zeigte, dass der Strahlteiler sowohl dazu verwendet werden kann, einen speziellen Quantenüberlagerungszustand für ein Phonon zu induzieren als auch eine Interferenz zwischen zwei Phononen zu erzeugen, unternahm es die ersten entscheidenden Schritte zur Entwicklung einer neuen Art von Quantencomputer.

Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft und baut auf jahrelanger bahnbrechender Arbeit des Teams von Pritzker Molecular Engineering zu Phononen auf.

„Aufspaltung“ eines Phonons in eine Überlagerung

In den Experimenten verwendeten die Forscher Phononen, deren Tonhöhe etwa eine Million Mal höher ist, als mit dem menschlichen Ohr hörbar ist. Zuvor hatten Cleland und sein Team herausgefunden, wie man einzelne Phononen erzeugt und erkennt, und waren die ersten, die zwei Phononen miteinander verschränkten.

Um die Quantenfähigkeiten dieser Phononen zu demonstrieren, hat das Team – darunter Clelands Doktorand Hong Qiao – einen Strahlteiler entwickelt, der einen Schallstrahl in zwei Hälften teilen kann, wobei er die eine Hälfte durchlässt und die andere Hälfte zur Quelle zurückreflektiert (Strahlteiler für Licht gibt es bereits und wird auch verwendet). wurde verwendet, um die Quantenfähigkeiten von Photonen zu demonstrieren). Das gesamte System, einschließlich zweier Qubits zur Erzeugung und Erkennung von Phononen, arbeitet bei extrem niedrigen Temperaturen und nutzt einzelne akustische Oberflächenwellen-Phononen, die sich auf der Oberfläche eines Materials, in diesem Fall Lithiumniobat, bewegen.

Die Quantenphysik besagt jedoch, dass ein einzelnes Phonon unteilbar ist. Als das Team also ein einzelnes Phonon zum Strahlteiler schickte, ging es statt zu spalten in eine Quantenüberlagerung über, einen Zustand, in dem das Phonon gleichzeitig reflektiert und durchgelassen wird. Die Beobachtung (Messung) des Phonons führt dazu, dass dieser Quantenzustand in einen der beiden Ausgänge kollabiert.

Das Team fand einen Weg, diesen Überlagerungszustand aufrechtzuerhalten, indem es das Phonon in zwei Qubits einfing. Ein Qubit ist die grundlegende Informationseinheit im Quantencomputing. Nur ein Qubit fängt das Phonon tatsächlich ein, aber die Forscher können erst nach der Messung feststellen, welches Qubit es ist. Mit anderen Worten: Die Quantenüberlagerung wird vom Phonon auf die beiden Qubits übertragen. Die Forscher haben diese Zwei-Qubit-Überlagerung gemessen und damit den „Goldstandard-Beweis erbracht, dass der Strahlteiler einen quantenverschränkten Zustand erzeugt“, sagte Cleland.

Phononen verhalten sich wie Photonen

Im zweiten Experiment wollte das Team einen weiteren fundamentalen Quanteneffekt zeigen, der erstmals in den 1980er Jahren mit Photonen nachgewiesen wurde. Heute als Hong-Ou-Mandel-Effekt bekannt: Wenn zwei identische Photonen gleichzeitig aus entgegengesetzten Richtungen in einen Strahlteiler geschickt werden, interferieren die überlagerten Ausgänge, sodass sich beide Photonen immer gemeinsam in der einen oder anderen Ausgangsrichtung bewegen.

Wichtig ist, dass dasselbe passierte, als das Team das Experiment mit Phononen durchführte – die überlagerte Ausgabe bedeutet, dass nur eines der beiden Detektor-Qubits Phononen einfängt, und zwar in die eine Richtung, nicht aber in die andere. Obwohl die Qubits jeweils nur ein einzelnes Phonon einfangen können, nicht zwei, „hört“ das in der entgegengesetzten Richtung platzierte Qubit niemals ein Phonon, was den Beweis dafür liefert, dass sich beide Phononen in die gleiche Richtung bewegen. Dieses Phänomen wird als Zwei-Phononen-Interferenz bezeichnet.

Phononen in diesen quantenverschränkten Zustand zu bringen, ist ein viel größerer Sprung als mit Photonen. Obwohl die hier verwendeten Phononen unteilbar sind, erfordern sie dennoch, dass Billiarden von Atomen auf quantenmechanische Weise zusammenarbeiten. Und wenn die Quantenmechanik die Physik nur im kleinsten Bereich beherrscht, wirft dies die Frage auf, wo dieser Bereich endet und die klassische Physik beginnt; Dieses Experiment untersucht diesen Übergang weiter.

„Diese Atome müssen sich alle kohärent verhalten, um das zu unterstützen, was die Quantenmechanik vorgibt“, sagte Cleland. „Es ist irgendwie erstaunlich. Die bizarren Aspekte der Quantenmechanik sind nicht durch die Größe begrenzt.“

Entwicklung eines neuen linearmechanischen Quantencomputers

Die Stärke von Quantencomputern liegt in der „Verrücktheit“ des Quantenbereichs. Durch die Nutzung der seltsamen Quantenkräfte der Überlagerung und Verschränkung hoffen Forscher, bisher unlösbare Probleme zu lösen. Ein Ansatz hierfür ist die Verwendung von Photonen in einem sogenannten „linearen optischen Quantencomputer“.

Ein linearer mechanischer Quantencomputer – der Phononen anstelle von Photonen verwenden würde – könnte selbst die Fähigkeit haben, neue Arten von Berechnungen durchzuführen. „Der Erfolg des Zwei-Phononen-Interferenz-Experiments ist der letzte Beweis dafür, dass Phononen äquivalent zu Photonen sind“, sagte Cleland. „Das Ergebnis bestätigt, dass wir über die Technologie verfügen, die wir zum Bau eines linearen mechanischen Quantencomputers benötigen.“

Im Gegensatz zum photonenbasierten linearen optischen Quantencomputing integriert die Plattform der University of Chicago Phononen direkt mit Qubits. Das bedeutet, dass Phononen darüber hinaus Teil eines hybriden Quantencomputers sein könnten, der das Beste linearer Quantencomputer mit der Leistung qubitbasierter Quantencomputer kombiniert.

Der nächste Schritt besteht darin, mithilfe von Phononen ein Logikgatter zu erstellen – ein wesentlicher Bestandteil des Rechnens –, an dem Cleland und sein Team derzeit forschen.

Weitere Autoren des Artikels sind É. Dumur, G. Andersson, H. Yan, M.-H. Chou, J. Grebel, CR Conner, YJ Joshi, JM Miller, RG Povey und X. Wu.