explicat | Sunt fononii, particulele de sunet și cuantice?

Mișcarea unei insecte la suprafața apei creează două seturi de ondulații care se suprapun, creând un model de interferență vizibil în zona orelor 11-12, New Mexico, 29 mai 2019. | Sursa imagine: Mike Lewinsky/Unsplash

Una dintre cele mai fierbinți știri din lumea computerelor din zilele noastre sunt computerele cuantice (celălalt fiind inteligența artificială). Recent, IBM lucrare publicată care pretindea că a demonstrat că un computer cuantic poate rezolva o problemă util O problemă pe care computerele tradiționale de astăzi nu o pot face și este o consecință meritată de îngrijorarea că calculele lor pot deveni prea nesigure pe măsură ce devin prea complexe.

Ce sunt qubiții?

Calculatoarele cuantice folosesc qubiții ca unități de bază de informații. Un qubit poate fi o particulă – ca un electron; O colecție de particule sau un sistem cuantic conceput să se comporte ca o particulă. Particulele pot face lucruri ciudate pe care obiectele mari – cum ar fi semiconductorii din computerele clasice – nu le pot, deoarece sunt ghidate de regulile fizicii cuantice. Aceste reguli permit fiecărui qubit să aibă valorile „pornit” și „dezactivat” în același timp, de ex.

Ipoteza calculului cuantic este că informația poate fi „codificată” într-o proprietate a unei particule, cum ar fi spinul unui electron, și apoi procesată folosind aceste capacități ciudate. Ca rezultat, se așteaptă ca computerele cuantice să efectueze calcule complexe dincolo de accesul celor mai bune supercalculatoare de astăzi.

Alte forme de calcul cuantic folosesc alte unități de informație. De exemplu, calculul cuantic optic linear (LOQC) folosește fotoni și particule de lumină ca qubiți. La fel cum diferitele informații pot fi combinate și manipulate prin codificarea lor pe electroni și apoi făcând electronii să interacționeze în moduri diferite, LOQC demonstrează utilizarea echipamentelor optice – cum ar fi oglinzi, lentile, splitter, plăci de undă etc. – cu fotoni. pentru a procesa informația.

Într-adevăr, orice particulă care poate fi controlată și manipulată folosind fenomenele mecanicii cuantice trebuie, pe hârtie, să fie utilizabilă ca unitate de informație într-un computer cuantic.

Ce sunt fononii?

Acesta este motivul pentru care fizicienii se întreabă dacă pot folosi și fononi. Fotonii sunt pachete de energie luminoasă. În mod similar, fononii sunt pachete de energie vibrantă. Deci întrebarea este: putem construi un computer cuantic a cărui unitate de informație este, colocvial, intactă?

conform hârtiei postat în Științe Luna aceasta ar trebui să fie posibil.

Problema este că cercetătorii pot manipula electronii cu curenți electrici, câmpuri magnetice etc. și pot manipula fotonii cu oglinzi, lentile etc. – dar cu ce pot manipula fononii? În acest scop, în noul studiu, cercetătorii de la Universitatea din Chicago raportează dezvoltarea unui separator de fascicul acustic.

Ce este un separator de fascicule?

Divizoarele de fascicule sunt utilizate pe scară largă în cercetarea optică. Imaginează-ți o torță care strălucește de-a lungul unei linii drepte. Acesta este practic un flux de fotoni. Când un divizor de fascicul este plasat pe calea luminii, acesta împarte fasciculul în două: adică va reflecta 50% din fotoni pe o parte și va permite celorlalte 50% să treacă direct.

Deși sună simplu, funcționarea unui separator de fascicule se bazează de fapt pe fizica cuantică. Dacă străluciți un milion de fotoni, va produce două fascicule, câte 500.000 de fotoni fiecare. Putem apoi reflecta aceste două raze pentru a se intersecta una pe cealaltă, creând un model de interferență (amintiți-vă de experimentul cu dublu fantă al lui Young). Dar cercetătorii au descoperit că modelul de interferență apare chiar și atunci când ei strălucesc fotonii din separatorul de fascicul unul câte unul. Ce fotoni sunt implicați? Raspunsul este înșiși.

Acest lucru se datorează faptului că a) particulele se pot comporta, de asemenea, ca undele și b) până când se face o observație, un sistem cuantic există într-o suprapunere a tuturor stărilor sale posibile (cum ar fi un qubit fiind parțial „pornit” și parțial „oprit” în același timp timp). Deci, atunci când o singură undă interacționează cu un divizor de fascicul, aceasta intră în suprapunerea celor două rezultate posibile – reflectat și transmis. Când aceste stări se combină, Stilul de intervenție El a aparut.

Ce a făcut noul studiu?

În noul studiu, cercetătorii au dezvoltat un separator de fascicul acustic – un mic dispozitiv asemănător unui pieptene, cu 16 tije metalice ieșind din el. A fost plasat în mijlocul unui canal de 2 mm de niobat de litiu. Fiecare capăt al canalului avea un qubit supraconductor – un qubit ale cărui componente ale circuitului erau supraconductoare – care putea emite și detecta simultan fononi individuali. Întreaga configurație a fost ținută la o temperatură foarte scăzută.

Dacă acești fononi ar fi transformați în sunet, frecvența lor ar fi prea mare pentru ca oamenii să o audă. Fiecare fonon din studiu, conform lucrării, reprezintă vibrația „colectivă” a aproximativ un cvadrilion de atomi.

Echipa a descoperit că acești fononi interacționează cu pieptene la fel cum fotonii interacționează cu un divizor de fascicul optic. Când un telefon emite din partea stângă a canalului, acesta este reflectat jumătate din timp și transmis în partea dreaptă cealaltă jumătate. Când fononii au fost emise simultan din partea stângă și dreaptă, au ajuns pe o parte (cum era de așteptat).

Computer bazat pe telefon…?

„Întrebarea științifică fundamentală este dacă fononii… se comportă de fapt așa cum spune mecanica cuantică că ar trebui”, a spus Andrew Cleland, fizician la Pritzker School of Molecular Engineering și membru al echipei de studiu. Fizică revistă. Testele echipei sale dovedesc că da.

Dar este încă un drum lung de aici până la un computer cuantic funcțional care folosește fononii ca unități de informație. Fizicianul de la Universitatea din Nottingham, Andrew Armor, a spus-o mai larg Știri științificeCeea ce faci este scalarea [quantum] Cutia de instrumente… oamenii se vor construi pe ea, va dura și nu există niciun semn că se va opri în curând.”

• IBM a publicat o lucrare în care susține că a demonstrat că un computer cuantic poate rezolva o problemă util O problemă pe care computerele tradiționale de astăzi nu o pot face și este o consecință meritată de îngrijorarea că calculele lor pot deveni prea nesigure pe măsură ce devin prea complexe.

• Echipa a descoperit că acești fononi interacționează cu pieptene la fel cum fotonii interacționează cu un divizor de fascicul optic.

• Divizoarele de fascicule sunt utilizate pe scară largă în cercetarea optică. Imaginează-ți o lanternă care strălucește de-a lungul unei linii drepte. Acesta este practic un flux de fotoni. Când un divizor de fascicul este plasat pe calea luminii, acesta împarte fasciculul în două: adică va reflecta 50% din fotoni pe o parte și va permite celorlalte 50% să treacă direct.