dijelaskan | Apakah fonon, partikel suara, juga kuantum?

Pergerakan serangga di permukaan air menciptakan dua rangkaian riak yang saling tumpang tindih, menciptakan pola interferensi yang terlihat di area jam 11-12, New Mexico, 29 Mei 2019. | Sumber gambar: Mike Lewinsky/Unsplash

Salah satu berita terhangat di dunia komputasi akhir-akhir ini adalah komputer kuantum (yang lainnya adalah kecerdasan buatan). Baru-baru ini, IBM makalah yang diterbitkan yang mengklaim telah membuktikan bahwa komputer kuantum dapat memecahkan masalah berguna Sebuah masalah yang tidak dapat dilakukan oleh komputer tradisional saat ini, dan konsekuensinya adalah kekhawatiran bahwa perhitungan mereka dapat menjadi terlalu tidak dapat diandalkan karena menjadi terlalu rumit.

Apa itu qubit?

Komputer kuantum menggunakan qubit sebagai unit dasar informasi. Qubit bisa berupa partikel – seperti elektron; Kumpulan partikel atau sistem kuantum yang dirancang untuk berperilaku seperti partikel. Partikel dapat melakukan hal-hal funky yang tidak dapat dilakukan objek besar — ​​seperti semikonduktor di komputer klasik — karena dipandu oleh aturan fisika kuantum. Aturan ini memungkinkan setiap qubit memiliki nilai “on” dan “off” secara bersamaan, misalnya.

Hipotesis komputasi kuantum adalah bahwa informasi dapat “dikodekan” menjadi beberapa sifat partikel, seperti putaran elektron, dan kemudian diproses menggunakan kemampuan aneh ini. Akibatnya, komputer kuantum diharapkan melakukan perhitungan kompleks di luar jangkauan superkomputer terbaik saat ini.

Bentuk lain dari komputasi kuantum menggunakan unit informasi lainnya. Misalnya, komputasi kuantum optik linier (LOQC) menggunakan foton dan partikel cahaya sebagai qubit. Sama seperti potongan informasi yang berbeda dapat digabungkan dan dimanipulasi dengan menyandikannya ke elektron dan kemudian membuat elektron berinteraksi dengan cara yang berbeda, LOQC mendemonstrasikan penggunaan peralatan optik – seperti cermin, lensa, pembagi, pelat gelombang, dll. – dengan foton untuk memproses informasi.

Memang, setiap partikel yang dapat dikontrol dan dimanipulasi menggunakan fenomena mekanika kuantum, di atas kertas, harus dapat digunakan sebagai unit informasi dalam komputer kuantum.

Apa itu fonon?

Inilah mengapa fisikawan bertanya-tanya apakah mereka juga dapat menggunakan fonon. Foton adalah paket energi cahaya. Demikian pula, fonon adalah paket energi getar. Jadi pertanyaannya adalah: dapatkah kita membuat komputer kuantum yang unit informasinya, dalam bahasa sehari-hari, utuh?

menurut kertas Diposting di Ilmu Bulan ini harus bisa.

Masalahnya adalah peneliti dapat memanipulasi elektron dengan arus listrik, medan magnet, dll., dan mereka dapat memanipulasi foton dengan cermin, lensa, dll. – tetapi dengan apa mereka dapat memanipulasi fonon? Untuk itu, dalam studi baru, para peneliti dari University of Chicago melaporkan mengembangkan pembagi berkas akustik.

Apa itu beam splitter?

Beam splitter banyak digunakan dalam penelitian optik. Bayangkan sebuah obor bersinar sepanjang garis lurus. Ini pada dasarnya adalah aliran foton. Ketika pemecah sinar ditempatkan di jalur cahaya, itu membagi sinar menjadi dua: yaitu, itu akan memantulkan 50% foton ke satu sisi dan membiarkan 50% lainnya melewatinya.

Meskipun kedengarannya sederhana, cara kerja pemecah sinar sebenarnya didasarkan pada fisika kuantum. Jika Anda menyinari sejuta foton padanya, itu akan menghasilkan dua sinar, masing-masing 500.000 foton. Kita kemudian dapat memantulkan kedua sinar ini untuk berpotongan satu sama lain, menciptakan pola interferensi (ingat eksperimen celah ganda Young). Tetapi para peneliti menemukan bahwa pola interferensi muncul bahkan ketika mereka menyinari foton di pembagi berkas satu per satu. Foton apa yang terlibat? Jawabannya adalah diri.

Ini karena a) partikel juga dapat berperilaku seperti gelombang, dan b) sampai pengamatan dilakukan, sistem kuantum ada dalam superposisi dari semua kemungkinan statusnya (seperti qubit sebagian ‘hidup’ dan sebagian ‘mati’ pada saat yang sama. waktu). Jadi, ketika sebuah gelombang tunggal berinteraksi dengan pemecah sinar, gelombang itu menjadi superposisi dari dua hasil yang mungkin – dipantulkan dan ditransmisikan. Ketika negara-negara ini bergabung, the Gaya intervensi Dia muncul.

Apa yang dilakukan studi baru itu?

Dalam studi baru, para peneliti mengembangkan pemecah sinar akustik – perangkat kecil seperti sisir, dengan 16 batang logam menonjol darinya. Itu ditempatkan di tengah saluran lithium niobate 2 mm. Setiap ujung saluran memiliki qubit superkonduktor—qubit yang komponen rangkaiannya superkonduktor—yang secara bersamaan dapat memancarkan dan mendeteksi fonon individual. Seluruh pengaturan disimpan pada suhu yang sangat rendah.

Jika fonon ini diubah menjadi suara, frekuensinya akan terlalu tinggi untuk didengar manusia. Setiap fonon dalam penelitian ini, menurut makalah, mewakili getaran “kolektif” sekitar satu kuadriliun atom.

Tim menemukan bahwa fonon ini berinteraksi dengan sisir seperti halnya foton berinteraksi dengan pembagi berkas optik. Ketika telepon memancarkan dari sisi kiri saluran, itu dipantulkan separuh waktu dan ditransmisikan ke sisi kanan separuh lainnya. Ketika fonon dipancarkan secara bersamaan dari sisi kiri dan kanan, mereka berakhir di satu sisi (seperti yang diharapkan).

Komputer berbasis telepon…?

“Pertanyaan ilmiah mendasar adalah apakah fonon … benar-benar berperilaku seperti yang dikatakan mekanika kuantum,” kata Andrew Cleland, fisikawan di Pritzker School of Molecular Engineering dan anggota tim studi. Fisika majalah. Tes timnya membuktikan bahwa mereka melakukannya.

Tapi masih jauh dari sini ke komputer kuantum fungsional yang menggunakan fonon sebagai satuan informasi. Fisikawan University of Nottingham Andrew Armor menjelaskannya secara lebih luas Berita sainsApa yang Anda lakukan adalah penskalaan [quantum] Toolbox… orang akan membangunnya, akan bertahan, dan tidak ada tanda-tanda akan berhenti dalam waktu dekat.”

• IBM telah menerbitkan makalah yang mengklaim telah membuktikan bahwa komputer kuantum dapat memecahkan masalah berguna Sebuah masalah yang tidak dapat dilakukan oleh komputer tradisional saat ini, dan konsekuensinya adalah kekhawatiran bahwa perhitungan mereka dapat menjadi terlalu tidak dapat diandalkan karena menjadi terlalu rumit.

• Tim menemukan bahwa fonon ini berinteraksi dengan sisir seperti halnya foton berinteraksi dengan pembagi berkas optik.

• Beam splitter banyak digunakan dalam penelitian optik. Bayangkan sebuah obor bersinar sepanjang garis lurus. Ini pada dasarnya adalah aliran foton. Ketika pemecah sinar ditempatkan di jalur cahaya, itu membagi sinar menjadi dua: yaitu, itu akan memantulkan 50% foton ke satu sisi dan membiarkan 50% lainnya melewatinya.