研究人員“分裂”聲子 邁向新型線性機(jī)械量子計(jì)算機(jī) 天天播資訊
發(fā)布時(shí)間：2023-06-12 11:37:12 文章來(lái)源：cnBeta
量子力學(xué)定律認(rèn)為，量子粒子基本上是不可分割的，因此不能分裂，但芝加

當(dāng)我們聽(tīng)我們最喜歡的歌曲時(shí)，聽(tīng)起來(lái)像是連續(xù)不斷的音樂(lè)波實(shí)際上是以稱為聲子的微小量子粒子包的形式傳輸?shù)摹Ａ孔恿W(xué)定律認(rèn)為，量子粒子基本上是不可分割的，因此不能分裂，但芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院 (PME) 的研究人員正在探索當(dāng)你試圖分裂聲子時(shí)會(huì)發(fā)生什么。


【資料圖】

在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中 - 也是同類實(shí)驗(yàn)中的首創(chuàng)，由 Andrew Cleland 教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)使用一種稱為聲學(xué)分束器的裝置來(lái)“分裂”聲子，從而證明它們的量子特性。 通過(guò)證明分束器可用于為一個(gè)聲子誘導(dǎo)特殊的量子疊加態(tài)，并進(jìn)一步在兩個(gè)聲子之間產(chǎn)生干涉，研究團(tuán)隊(duì)邁出了創(chuàng)建新型量子計(jì)算機(jī)的第一個(gè)關(guān)鍵步驟。

該結(jié)果最近發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，并建立在普利茲克分子工程團(tuán)隊(duì)多年在聲子方面的突破性工作的基礎(chǔ)上。

在同類實(shí)驗(yàn)中，普利茲克分子工程學(xué)院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)邁出了創(chuàng)建線性機(jī)械量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵步驟。

將聲子“分裂”成疊加態(tài)

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用的聲子音調(diào)比人耳所能聽(tīng)到的高大約一百萬(wàn)倍。 此前，Cleland 和他的團(tuán)隊(duì)弄清楚了如何創(chuàng)建和檢測(cè)單個(gè)聲子，并且是第一個(gè)糾纏兩個(gè)聲子的人。

為了展示這些聲子的量子能力，包括 Cleland 的研究生 Hong Qiao 在內(nèi)的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)分束器，可以將一束聲波分成兩半，傳輸一半并將另一半反射回其源（分束器已經(jīng)存在用于光并且具有 被用來(lái)證明光子的量子能力）。 整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)用于產(chǎn)生和檢測(cè)聲子的量子位，在極低的溫度下運(yùn)行，并使用單獨(dú)的表面聲波聲子，這些聲子在材料表面?zhèn)鞑?，在這種情況下是鈮酸鋰。

研究生 Hong Qiao（左）和研究生 Chris Conner 在 Andrew Cleland 教授的實(shí)驗(yàn)室工作。

然而，量子物理學(xué)認(rèn)為單個(gè)聲子是不可分割的。 因此，當(dāng)團(tuán)隊(duì)將單個(gè)聲子發(fā)送到分束器時(shí)，它并沒(méi)有分裂，而是進(jìn)入了量子疊加狀態(tài)，即聲子同時(shí)被反射和傳輸?shù)臓顟B(tài)。 觀察（測(cè)量）聲子會(huì)導(dǎo)致該量子態(tài)坍縮為兩個(gè)輸出之一。

該團(tuán)隊(duì)找到了一種通過(guò)在兩個(gè)量子位中捕獲聲子來(lái)維持疊加狀態(tài)的方法。 量子比特是量子計(jì)算中信息的基本單位。 實(shí)際上只有一個(gè)量子位捕獲了聲子，但研究人員在測(cè)量后才能分辨出是哪個(gè)量子位：換句話說(shuō)，量子疊加從聲子轉(zhuǎn)移到兩個(gè)量子位。 研究人員測(cè)量了這兩個(gè)量子比特的疊加，產(chǎn)生了“分束器正在產(chǎn)生量子糾纏態(tài)的黃金標(biāo)準(zhǔn)證據(jù)”，克萊蘭說(shuō)，他也是美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家。

結(jié)果顯示聲子表現(xiàn)得像光子

在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)想要展示一種額外的基本量子效應(yīng)，該效應(yīng)在 1980 年代首次用光子證明。 現(xiàn)在稱為 Hong-Ou-Mandel 效應(yīng)，當(dāng)兩個(gè)相同的光子同時(shí)從相反方向發(fā)送到分束器時(shí)，疊加的輸出會(huì)發(fā)生干涉，因此兩個(gè)光子總是一起傳播，在一個(gè)或另一個(gè)輸出方向上。

重要的是，當(dāng)團(tuán)隊(duì)用聲子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，情況也是如此——疊加的輸出意味著兩個(gè)探測(cè)器量子位中只有一個(gè)捕獲聲子，從一個(gè)方向而不是另一個(gè)方向。 盡管量子位一次只能捕獲一個(gè)聲子，而不是兩個(gè)，但放置在相反方向的量子位永遠(yuǎn)不會(huì)“聽(tīng)到”聲子，這證明兩個(gè)聲子都朝著相同的方向移動(dòng)。 這種現(xiàn)象稱為雙聲子干涉。

新論文的作者包括（左起）研究生 Rhys Povey、研究生 Chris Conner、研究生 Jacob Miller、研究生 Yash Joshi、研究生 Hong Qiao（論文的第一作者）、研究生 Haoxiong Yan、研究生 Xuntao Wu 和博士后研究員 Gustav Andersson。

與光子相比，讓聲子進(jìn)入這些量子糾纏態(tài)是一個(gè)更大的飛躍。 這里使用的聲子雖然不可分割，但仍然需要數(shù)千萬(wàn)億個(gè)原子以量子力學(xué)方式協(xié)同工作。 如果量子力學(xué)只在最微小的領(lǐng)域統(tǒng)治物理學(xué)，那么它就會(huì)提出這個(gè)領(lǐng)域的終點(diǎn)和經(jīng)典物理學(xué)的起點(diǎn)的問(wèn)題； 該實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探討了這種轉(zhuǎn)變。

Cleland 說(shuō)：“所有這些原子都必須一致地表現(xiàn)在一起，以支持量子力學(xué)所說(shuō)的它們應(yīng)該做的事情。這有點(diǎn)不可思議。 量子力學(xué)的奇異之處不受大小的限制?！?/p>

創(chuàng)建一臺(tái)新的線性機(jī)械量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大之處在于量子領(lǐng)域的“怪異”。 通過(guò)利用疊加和糾纏的奇怪量子力量，研究人員希望解決以前棘手的問(wèn)題。 一種方法是在所謂的“線性光學(xué)量子計(jì)算機(jī)”中使用光子。

使用聲子而不是光子的線性機(jī)械量子計(jì)算機(jī)本身就有能力進(jìn)行新的計(jì)算。 “雙聲子干涉實(shí)驗(yàn)的成功是表明聲子等同于光子的最后一塊，”Cleland說(shuō)。 “結(jié)果證實(shí)我們擁有構(gòu)建線性機(jī)械量子計(jì)算機(jī)所需的技術(shù)。”

與基于光子的線性光量子計(jì)算不同，UChicago 平臺(tái)直接將聲子與量子比特集成在一起。 這意味著聲子可以進(jìn)一步成為混合量子計(jì)算機(jī)的一部分，它將最好的線性量子計(jì)算機(jī)與基于量子位的量子計(jì)算機(jī)的能力結(jié)合起來(lái)。

下一步是使用聲子創(chuàng)建邏輯門(mén) - 計(jì)算的重要組成部分，Cleland 和他的團(tuán)隊(duì)目前正在對(duì)此進(jìn)行研究。

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