Управление наименьшей единицей звука может быть использовано в квантовой информации.
Исследователи получили контроль над неуловимой «частицей» звука, фононом. Хотя фононы - наименьшие единицы колебательной энергии, из которой состоят звуковые волны - не являются материей, их можно считать частицами так же, как фотоны - частицами света. Фотоны обычно хранят информацию в прототипах квантовых компьютеров, которые стремятся использовать квантовые эффекты для достижения беспрецедентной вычислительной мощности. Использование звука вместо этого может получить преимущество, хотя это потребует манипулирования фононами в очень мелких масштабах.
До недавнего времени ученым не хватало этой способности; просто обнаружение отдельного фонона уничтожило его. Ранние методы включали преобразование фононов в электричество в квантовых схемах, называемых сверхпроводящими кубитами. Эти схемы принимают энергию в определенных количествах; если энергия фонона совпадает, схема может поглотить его - разрушив фонон, но давая показания энергии его присутствия.
В новом исследовании ученые из JILA (в сотрудничестве между Национальным институтом стандартов и технологий и Университетом Колорадо Боулдер) настроили единицы энергии своего сверхпроводящего кубита, чтобы фононы не были уничтожены. Вместо этого фононы ускоряли ток в цепи, благодаря специальному материалу, который создавал электрическое поле в ответ на вибрации. Затем экспериментаторы могли определить, какое изменение тока вызывает каждый фонон.
«В последнее время было много впечатляющих успехов в использовании сверхпроводящих кубитов для управления квантовыми состояниями света. И нам было любопытно - что вы можете сделать со звуком, чего не можете со светом? », - говорит Лукас Слеттен из UC Boulder, ведущий автор исследования, опубликованного в июне в Physical Review X. Одно из отличий заключается в скорости: звук распространяется гораздо медленнее, чем свет. Слеттен и его коллеги воспользовались этим, чтобы координировать схемно-фононные взаимодействия, которые ускоряли ток. Они улавливали фононы с определенной длиной волны (так называемые моды) между двумя акустическими «зеркалами», которые отражают звук, и относительно длительное время, необходимое для прохождения сигнала в обоих направлениях, обеспечивало точную координацию. Зеркала были на расстоянии волоска друг от друга - для аналогичного контроля света потребуется зеркало, разделенное примерно на 12 метров.
«Медлительность» звука также позволяет экспериментаторам определять фононы более чем одного режима. Как правило, говорит Слеттен, квантовые компьютеры увеличивают свою емкость за счет дополнительных сверхпроводящих кубитов. Но имея только один кубит обрабатываемой информации с несколькими режимами можно достичь того же результата.
«Это определенно важный этап», - говорит Иен Чу, физик из ETH Zurich, которая не принимала участия в исследовании. Она отмечает, что аналогичные эксперименты со светом были первым шагом к большей части сегодняшней работы над квантовыми компьютерами.
Однако подобные приложения для звука далеки от других: среди прочего, ученые должны найти способ сохранить фононы живыми гораздо дольше, чем они могут в настоящее время - около 600 наносекунд. В конце концов, исследование может открыть новые пути вперед в квантовых вычислениях.