Wie die Aufspaltung von Schall zu einer neuen Art von Quantencomputern führen könnte

Wenn Sie eine Lampe einschalten, um einen Raum zu erhellen, erleben Sie, dass Lichtenergie in Form von Photonen übertragen wird, bei denen es sich um kleine, diskrete Quantenenergiepakete handelt. Diese Photonen müssen den manchmal seltsamen Gesetzen der Quantenmechanik gehorchen, die beispielsweise vorschreiben, dass Photonen unteilbar sind, gleichzeitig aber ein Photon zulassen an zwei Orten gleichzeitig sein.

Ähnlich wie die Photonen, aus denen Lichtstrahlen bestehen, unteilbare Quantenteilchen sogenannte Phononen einen Schallstrahl bilden. Diese Teilchen entstehen aus der kollektiven Bewegung von Billiarden Atomen, ähnlich wie eine „Stadionwelle“ in einer Sportarena auf die Bewegung Tausender einzelner Fans zurückzuführen ist. Wenn Sie ein Lied hören, hören Sie einen Strom dieser sehr kleinen Quantenteilchen.

Ursprünglich dazu gedacht Erklären Sie die Wärmekapazitäten von FestkörpernEs wird vorhergesagt, dass Phononen denselben Regeln der Quantenmechanik gehorchen wie Photonen. Die Technologie zur Erzeugung und Detektion einzelner Phononen ist jedoch hinter der für Photonen zurückgeblieben.

Diese Technologie wird zum Teil erst jetzt weiterentwickelt meine Forschungsgruppe an der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago. Wir erkunden die grundlegenden Quanteneigenschaften des Schalls, indem Phononen in zwei Hälften geteilt und miteinander verschränkt werden.

Die Grundlagenforschung meiner Gruppe zu Phononen könnte es Forschern eines Tages ermöglichen, einen neuen Typ von Quantencomputern zu bauen, einen sogenannten mechanischen Quantencomputer.

Aufspaltender Ton durch „schlechte“ Spiegel

Um die Quanteneigenschaften von Phononen zu erforschen, verwendet unser Team akustische Spiegel, die Schallstrahlen lenken können. Unsere neuesten Experimente, veröffentlicht in eine aktuelle Ausgabe von ScienceAllerdings handelt es sich dabei um „schlechte“ Spiegel, sogenannte Strahlteiler, die etwa die Hälfte des auf sie gerichteten Schalls reflektieren und die andere Hälfte durchlassen. Unser Team hat beschlossen, zu untersuchen, was passiert, wenn wir ein Phonon auf einen Strahlteiler richten.

Da ein Phonon unteilbar ist; es kann nicht geteilt werden. Stattdessen landet das Phonon nach der Interaktion mit dem Strahlteiler in einer sogenannten „Überlagerungszustand.“ In diesem Zustand wird das Phonon paradoxerweise sowohl reflektiert als auch übertragen, und die Wahrscheinlichkeit, dass Sie das Phonon in beiden Zuständen erkennen, ist gleich. Wenn Sie eingreifen und das Phonon erkennen, werden Sie in der Hälfte der Zeit messen, dass es reflektiert wurde und die Hälfte der Zeit, in der es übertragen wurde; in gewissem Sinne ist der Staat zufällig ausgewählt durch den Detektor. Ohne den Detektionsprozess bleibt das Phonon im Überlagerungszustand, in dem es sowohl gesendet als auch reflektiert wird.

Dieser Überlagerungseffekt wurde vor vielen Jahren bei Photonen beobachtet. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Phononen die gleiche Eigenschaft haben.

Verschränkte Phononen

Nachdem mein Team gezeigt hatte, dass Phononen ebenso wie Photonen Quantenüberlagerungen eingehen können, fragte ich nach eine komplexere Frage. Wir wollten wissen, was passieren würde, wenn wir zwei identische Phononen in den Strahlteiler schicken würden, eines aus jeder Richtung.

Es stellt sich heraus, dass jedes Phonon in einen ähnlichen Überlagerungszustand von halb durchgelassener und halb reflektierter Strahlung übergeht. Aber aufgrund der Physik des Strahlteilers werden die Phononen quantenmechanisch miteinander interferieren, wenn wir sie zeitlich genau steuern. Was entsteht, ist tatsächlich ein Überlagerungszustand von zwei Phononen, die in die eine und zwei Phononen gehen, die in die andere Richtung gehen – die beiden Phononen sind also so quantenmechanisch verschränkt.

Bei der Quantenverschränkung befindet sich jedes Phonon in einer Überlagerung von reflektiert und durchgelassen, aber die beiden Phononen sind miteinander verbunden. Das bedeutet, dass die Erkennung, dass ein Phonon gesendet oder reflektiert wurde, das andere Phonon dazu zwingt, sich im gleichen Zustand zu befinden.

Wenn Sie also etwas erkennen, werden Sie immer zwei Phononen erkennen, die sich in die eine oder andere Richtung bewegen, niemals ein Phonon, das sich in beide Richtungen bewegt. Derselbe Effekt für Licht, die Kombination aus Überlagerung und Interferenz zweier Photonen, wird als bezeichnet Hong-Ou-Mandel-Effektnach den drei Physikern, die ihn 1987 erstmals vorhergesagt und beobachtet haben. Jetzt hat meine Gruppe diesen Effekt mit Schall nachgewiesen.

Die Zukunft des Quantencomputings

Diese Ergebnisse legen nahe, dass es nun möglich sein könnte, mithilfe von Phononen einen mechanischen Quantencomputer zu bauen. Es gibt weiterhin Baubemühungen optische Quantencomputer die lediglich die Emission, Detektion und Interferenz einzelner Photonen erfordern. Diese laufen parallel zu den Bemühungen, elektrische Quantencomputer zu bauen, die durch die Verwendung einer großen Anzahl verschränkter Teilchen eine exponentielle Beschleunigung bestimmter Probleme versprechen, beispielsweise der Faktorisierung großer Zahlen oder der Simulation von Quantensystemen.

Ein Quantencomputer, der Phononen verwendet, könnte sehr kompakt und eigenständig sein und vollständig auf einem Chip basieren, der dem Prozessor eines Laptop-Computers ähnelt. Seine geringe Größe könnte die Implementierung und Nutzung erleichtern, wenn Forscher phononbasierte Technologien weiter ausbauen und verbessern können.

Die meiner Gruppe Experimente mit Phononen Verwenden Sie Qubits – die gleiche Technologie, die elektronische Quantencomputer antreibt – was bedeutet, dass mit dem Aufholen der Technologie für Phononen die Möglichkeit besteht, phononbasierte Computer mit elektronischen Quantencomputern zu integrieren. Dadurch könnten neue, potenziell einzigartige Rechenfähigkeiten entstehen.

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