објаснио | Да ли су и фонони, честице звука, квантни?

Кретање инсекта на површини воде ствара два низа таласа који се преклапају, стварајући интерференцијски образац видљив у области од 11 до 12 сати, Нови Мексико, 29. мај 2019. | Извор слике: Мике Левински/Унспласх

Једна од најтоплијих вести у свету рачунарства ових дана су квантни рачунари (друга је вештачка интелигенција). Недавно је ИБМ објављен рад који је тврдио да је доказао да квантни рачунар може да реши проблем корисним Проблем који данашњи традиционални рачунари не могу, а последица је забринутости да њихови прорачуни могу постати превише непоуздани јер постану превише сложени.

Шта су кубити?

Квантни рачунари користе кубите као основне јединице информација. Кубит може бити честица – као електрон; Колекција честица или квантни систем дизајниран да се понаша као честица. Честице могу да раде необичне ствари које велики објекти – попут полупроводника у класичним рачунарима – не могу јер су вођени правилима квантне физике. Ова правила дозвољавају да сваки кубит има вредности „укључено“ и „искључено“ у исто време, нпр.

Хипотеза квантног рачунарства је да се информација може „кодирати“ у неко својство честице, као што је спин електрона, а затим обрадити користећи ове чудне могућности. Као резултат тога, очекује се да квантни рачунари обављају сложене прорачуне ван домашаја данашњих најбољих суперкомпјутера.

Други облици квантног рачунарства користе друге јединице информација. На пример, линеарно оптичко квантно рачунарство (ЛОКЦ) користи фотоне и честице светлости као кубите. Баш као што се различити делови информација могу комбиновати и манипулисати тако што се кодирају на електроне, а затим доводе до интеракције електрона на различите начине, ЛОКЦ демонстрира употребу оптичке опреме – као што су огледала, сочива, разделници, таласне плоче, итд. – са фотонима да обради информације.

Заиста, свака честица којом се може контролисати и којом се манипулише коришћењем феномена квантне механике мора, на папиру, бити употребљива као јединица информације у квантном рачунару.

Шта су фонони?

Због тога се физичари питају да ли могу да користе и фононе. Фотони су пакети светлосне енергије. Слично, фонони су пакети вибрирајуће енергије. Дакле, питање је: можемо ли да направимо квантни рачунар чија је јединица информација, колоквијално, нетакнута?

према листу Објављено у науке Овог месеца би требало да буде могуће.

Проблем је у томе што истраживачи могу да манипулишу електронима помоћу електричних струја, магнетних поља, итд., и могу да манипулишу фотонима помоћу огледала, сочива итд. – али чиме могу да манипулишу фононима? У том циљу, у новој студији, истраживачи са Универзитета у Чикагу извештавају о развоју акустичног разделника снопа.

Шта је разделник зрака?

Разделници снопа се широко користе у истраживању оптике. Замислите бакљу која сија дуж праве линије. Ово је у основи ток фотона. Када се разделник снопа постави на путању светлости, он дели сноп на два дела: то јест, рефлектоваће 50% фотона на једну страну и дозволити да осталих 50% прође право кроз њих.

Иако звучи једноставно, рад разделника снопа заправо је заснован на квантној физици. Ако у њега осветлите милион фотона, произвешће два зрака, по 500.000 фотона. Затим можемо да рефлектујемо ова два зрака да се пресеку један другог, стварајући интерференцијски образац (сетите се Јанговог експеримента са двоструким прорезом). Али истраживачи су открили да се образац интерференције појављује чак и када један по један осветљавају фотоне у разделнику снопа. Који фотони су укључени? Одговор је сами себе.

То је зато што а) честице се такође могу понашати као таласи, и б) док се посматрање не изврши, квантни систем постоји у суперпозицији свих својих могућих стања (као што је кубит истовремено делимично „укључен“, а делимично „искључен“). време) . Дакле, када један талас ступи у интеракцију са разделником снопа, он иде у суперпозицију два могућа исхода – рефлектованог и преношеног. Када се ова стања комбинују, Интервентни стил Он се појављује.

Шта је урадила нова студија?

У новој студији, истраживачи су развили акустични разделник снопа – мали уређај налик на чешаљ, са 16 металних шипки које вире из њега. Постављен је у средину канала од 2 мм од литијум ниобата. Сваки крај канала имао је суперпроводни кубит — кубит чије су компоненте кола биле суправодљиве — који је могао истовремено да емитује и детектује појединачне фононе. Цела поставка је држана на веома ниској температури.

Ако би се ови фонони претворили у звук, њихова фреквенција би била превисока да би људи могли чути. Сваки фонон у студији, према раду, представља „колективну“ вибрацију од око квадрилиона атома.

Тим је открио да ови фонони ступају у интеракцију са чешљем баш као што фотони комуницирају са оптичким разделником зрака. Када је телефон емитован са леве стране канала, пола времена се рефлектовао, а другу половину преносио на десну страну. Када су фонони емитовани истовремено са леве и десне стране, завршили су на једној страни (као што се и очекивало).

Рачунар заснован на телефону…?

„Фундаментално научно питање је да ли се фонони… заиста понашају онако како квантна механика каже да би требало“, рекао је Ендру Клиланд, физичар на Притзкер школи за молекуларно инжењерство и члан истраживачког тима. Стање часопис. Тестови његовог тима доказују да јесу.

Али још је далеко одавде до функционалног квантног рачунара који користи фононе као јединице информација. Физичар са Универзитета у Нотингему Ендрју Армор рекао је то шире Сциенце НевсОно што радите је скалирање [quantum] Кутија са алаткама… људи ће градити на њој, трајаће и нема знакова да ће ускоро престати.“

• ИБМ је објавио рад у којем се тврди да је доказао да квантни рачунар може да реши проблем корисним Проблем који данашњи традиционални рачунари не могу, а последица је забринутости да њихови прорачуни могу постати превише непоуздани јер постану превише сложени.

• Тим је открио да ови фонони ступају у интеракцију са чешљем баш као што фотони комуницирају са оптичким разделником зрака.

• Разделници снопа се широко користе у истраживању оптике. Замислите бакљу која сија дуж праве линије. Ово је у основи ток фотона. Када се разделник снопа постави на путању светлости, он дели сноп на два дела: то јест, рефлектоваће 50% фотона на једну страну и дозволити да осталих 50% прође право кроз њих.