С помощта на квантовата механика физиците за пръв път успяха да разделят фонон на две части

Използвайки принципите на квантовата механика, физиците за пръв път успяха временно да разделят фононите – най-малките компоненти на звуковите вълни – които досега се считаха за невъзможни за „разделяне“. Тяхното сходство с фотоните (частиците светлина) предполага потенциални приложения при разработването на квантови компютри с напълно нови изчислителни възможности. Това постижение може един ден да доведе до създаването на звукови версии на квантовите компютри или на изключително чувствителни измервателни инструменти. Междувременно то показва, че странностите на квантовия свят се отнасят не само за светлината, но и за звука.

Във физиката фононът обозначава кванта на звуковата вибрация, най-малкия компонент на звуковата вълна. Фононите могат да съществуват само в кристален материал, т.е. за разлика от фотоните, които могат да се движат във вакуум, за движението на фононите е необходима среда, например въздух или вода, или повърхността на еластичен материал. Ако намаляването на интензитета на източника на светлина е еквивалентно на намаляване на броя на фотоните, то намаляването на силата на звука е еквивалентно на намаляване броя на фононите.

Въпреки че отделният фонон представлява колективното движение на няколко милиарда атома, той носи съвсем малко количество енергия. В квантовата механика той се характеризира със своя вълново-корпускуларен дуализъм (подобно на светлината), като се проявява или като вълна, или като „елементарен пакет“. Макар че материята като цяло може да бъде разделена на няколко субатомни частици, като протони и електрони, досега се считаше, че е невъзможно разделянето на фононите.

Нова научна работа, публикувана в списание Science показва, че един фонон може да бъде временно разделен с помощта на специален квантов ефект. Подобно на светлината, принципът на квантовата делимост може да бъде приложен например към звука или вибрациите.

„Никой досега не е изследвал този въпрос“, казва Андрю Клеланд, физик от Чикагския университет и един от водещите автори на изследването.

Той и колегите му считат, че това изследване потенциално може да доведе до разработването на нови квантови компютърни архитектури, повече или по-малко подобни на тези, които понастоящем се разработват с помощта на фотони.

Експериментът в новото изследване включва използването на ефекта на квантовия разделител на лъчите върху фононите. Това е устройство за получаване на „поток“ от падащи фонони, половината от които се отразяват, когато влязат в контакт с фононния разделител на лъча. Същият принцип се прилага, когато системата получава един-единствен фонон, който след това преминава в квантово състояние, в което се движи в две различни посоки. Отразеният и излъченият фонон взаимодейства със себе си чрез процес на интерференция и може да се премести от първоначалното си положение.

Действието на устройството е тествано със звук с честота няколко милиона пъти по-висока от тази, която може да бъде чута от хората. Цялото устройство е изложено на температура, близка до абсолютната нула. Това охлаждане е необходимо, тъй като когато една кристална решетка е изложена на среда с температура над нулата, нейната енергия не е постоянна и се колебае произволно около една средна стойност. Тези колебания се дължат на случайните вибрации на атомите под въздействието на топлината.

Друг важен момент е, че вместо високоговорители и микрофони за излъчване и приемане на звука са използвани свръхпроводящи кубити (носещи квантова информация). След това параметрите на звуковото отклонение са били променени, за да се промени начинът, по който излъчените и отразените фонони взаимодействат помежду си. Тези манипулации са позволили на изследователите да се уверят, че излъченият фонон се приема или от кубита-източник, или от кубита от другата страна на разделителя на фононовия лъч, след като влезе в контакт с него.

След това изследователите са потвърдили квантовото поведение на фононите, като едновременно са ги изпратили към два кубита. По-точно, фононите са били насочени по такъв начин, че да се движат едновременно към разделителя на лъча и след това към местоназначението си. По този начин се предполага, че те винаги се движат непредсказуемо към кубитите, но винаги се озовават на един и същ кубит, когато едновременно пристигнат при разделителя на лъча.

Ако разглеждахме движението на фононите без законите на квантовата физика, нямаше да има никаква връзка между областите, в които те попадат след удара в разделителя на лъча. Този ефект на разделяне потенциално би могъл да послужи като основа за създаването на „квантови портали“ – основните градивни елементи на схемите в квантовите изчисления.

„Следващата логична стъпка в този експеримент е да демонстрираме, че можем да създаваме квантови гейтове с помощта на фонони. Това ще бъде първият портал в модула, който ще бъде необходим за осъществяването на реални изчисления“, обобщава Клеланд.

Да си припомним, че преди време учени от Станфорд създадоха квантов микрофон. Той може да регистрира най-малките открити единици звук – съвсем същите фонони. Това устройство също може да допринесе за производството на дори още по-ефективни квантови компютри.

Това е интересно устройство, което използва микроскопични резонатори, действащи като „огледала за звука“. Така микрофонът затваря фононите в клетки и изследва техните вибрации, като различното ниво на енергия отговаря на различния брой фонони. Способността да се отчитат толкова малки частици може да допринесе за изграждането на свръхминиатюрни изчислителни машини, способни да работят с несъизмеримо голямо количество информация. Използването на фонони е възможно коренно да намали размера на квантовите компютри, използващи фотони.