Die Aufspaltung von Phononen ist ein Schritt in Richtung eines neuen Typs von Quantencomputern

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

Die Gesetze der Quantenmechanik besagen, dass Quantenteilchen grundsätzlich unteilbar sind und daher nicht geteilt werden können. Forscher der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) der Universität 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 Professor Andrew Cleland ein Gerät namens akustischer Strahlteiler, um die Phononen zu „spalten“ und ihnen dann ihre Quanteneigenschaften zu zeigen. Durch den Nachweis, dass ein Strahlsender dazu verwendet werden kann, einen speziellen Quantenüberlagerungszustand für ein einzelnes Phonon zu induzieren und Interferenzen zwischen zwei Phononen zu erzeugen, hat das Forschungsteam die ersten entscheidenden Schritte zur Entwicklung eines neuen Typs von Quantencomputern unternommen.

Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaften Und es baute auf jahrelanger bahnbrechender Arbeit des Teams von Pritzker Molecular Engineering zu Phononen auf.

ein Phonon in eine Überlagerung „aufspalten“.

In den Experimenten verwendeten die Forscher Phononen mit einer Tonhöhe, die etwa eine Million Mal lauter ist als das, was das menschliche Ohr hören kann. Zuvor hatten Cleland und sein Team herausgefunden, wie man einzelne Phononen erzeugt und erkennt, und waren die ersten, die zwei Phononen verknüpften.

Um die Quantenfähigkeiten dieser Phononen zu beweisen, entwickelte das Team – darunter der Cleland-Doktorand Hong Qiao – ein Gerät, um einen Schallstrahl in zwei Hälften zu teilen, die andere Hälfte durchzulassen und die andere Hälfte zurück zu seiner Quelle zu reflektieren (für Licht gibt es bereits Strahlteiler). und müssen die Quantenfähigkeiten von Photonen nachweisen). 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 Strahlensender schickte, trat es statt zu spalten in einen Quantenüberlagerungszustand ein, einen Zustand, in dem ein Phonon gleichzeitig reflektiert und übertragen wird. Durch die Beobachtung (Messung) des Phonons kollabiert dieser Quantenzustand in einen der beiden Ausgänge.

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 ein, aber um welches Qubit es sich handelt, können die Forscher auch nach der Messung nicht sagen. Mit anderen Worten: Die Quantenüberlagerung wird vom Phonon auf die beiden Qubits übertragen. Die Forscher haben diese Überlagerung zweier Qubits gemessen und damit den „Goldstandard-Beweis dafür erbracht, dass der Strahlteiler einen quantenverschränkten Zustand erzeugt“, sagte Cleland.

Zeigen Sie, dass sich Phononen wie Photonen verhalten

Im zweiten Experiment wollte das Team einen weiteren fundamentalen Quanteneffekt nachweisen, der erstmals in den 1980er Jahren mit Photonen nachgewiesen wurde. Heute als Hong-Ou-Mandel-Effekt bekannt: Wenn zwei identische Photonen aus entgegengesetzten Richtungen gleichzeitig zu einem Strahlteiler geschickt werden, überlagern sich die Ausgänge so, dass sich beide Photonen immer gemeinsam in der einen oder anderen Richtung bewegen Ausgaberichtungen.

Noch wichtiger ist, dass dasselbe passierte, als das Team das Experiment mit Phononen durchführte – die überlagerte Ausgabe bedeutet, dass nur eines der beiden Detektor-Qubits die Phononen aufnimmt und zwar in die eine Richtung, nicht aber in die andere. Obwohl Qubits jeweils nur ein Phonon aufnehmen können, nicht zwei, „hören“ Qubits, die in die entgegengesetzte Richtung platziert werden, niemals ein Phonon, was darauf hindeutet, dass sich beide Phononen in die gleiche Richtung bewegen. Dieses Phänomen wird als Zwei-Phononen-Interferenz bezeichnet.

Phononen in die Quantenverschränkung zu bringen, ist ein viel größerer Sprung als mit Photonen. Die hier verwendeten Phononen erfordern, obwohl sie unteilbar sind, immer noch das Zusammenwirken von Billiardsteln Atomen im Sinne der Quantenmechanik. Und wenn die Quantenmechanik die Physik nur in der kleinsten Welt regelt, wirft sie die Frage auf, wo diese Welt endet und die klassische Physik beginnt; Dieses Experiment verstärkt diesen Übergang.

„Diese Atome müssen sich kohärent verhalten, um das zu unterstützen, was die Quantenmechanik vorgibt“, sagte Cleland. „Es ist irgendwie erstaunlich. Die seltsamen Aspekte der Quantenmechanik haben nicht nur mit der Größe zu tun.“

Schaffung eines neuen linearen quantenmechanischen Computers

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

Ein linearer mechanischer Quantencomputer, der Phononen anstelle von Photonen verwendet, könnte das Potenzial haben, neue Arten von Berechnungen durchzuführen. „Der Erfolg des Phononeninterferenzexperiments ist der neueste Beweis dafür, dass Phononen gleichbedeutend mit Photonen sind“, sagte Cleland. „Das Ergebnis bestätigt, dass wir über die Technologie verfügen, die wir zum Bau eines linearen quantenmechanischen Computers benötigen.“

Im Gegensatz zum photonenbasierten linearen optischen Quantencomputing integriert die Plattform der University of Chicago Phononen direkt mit Qubits. Das bedeutet, dass Phononen auch 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 –, woran Cleland und sein Team derzeit forschen.

Weitere Autoren des Artikels sind É. Dumore, J. Anderson, H. Yan, M. -H. Zhou, J. Greibel, CR Conner, YJ Joshi, JM Miller, RJ Buffay und X Wu.