Jak zbudować komputer fononiczny

Nauka o oddziaływaniu światła z materią nazywa się elektrodynamiką kwantową lub QED, a teoria, na której się ona opiera, jest jednym ze szczytowych osiągnięć fizyki XX wieku.

Dziś leży u podstaw powstającej technologii zwanej Circuit-QED, w której fotony uwięzione na chipie krzemowym wchodzą w interakcję z urządzeniami nadprzewodnikowymi zwanymi sztucznymi atomami, które mają różne poziomy energii, tak jak prawdziwe atomy.

To obiecujące narzędzie do obliczeń kwantowych. Urządzenia Circuit-QED manipulują informacją kwantową, gdy jest ona przenoszona ze światła do materii i odwrotnie. A fakt, że to wszystko odbywa się na jednym chipie, pozwala na niespotykaną dotąd kontrolę.

Istnieje jednak inny sposób przetwarzania informacji kwantowych, który może być równie obiecujący. Zamiast polegać na świetle, wykorzystuje to pakiety kwantowe dźwięku zwane fononami.

Fonony to wibracje kwantowe, które wędrują przez sieć, z której zbudowane są materiały, podobnie jak dźwięk przechodzi przez powietrze. Zwykle są to niechlujne i niespójne rzeczy, które postrzegamy jako ciepło i hałas, rzeczy, które zwykle chcemy zminimalizować lub całkowicie usunąć.

Ale w ostatnich latach fizycy zaczęli badać sposoby na celowe tworzenie fononów, łapanie ich w pułapkę i sprawienie, by były spójne.

To dało im wiele ciekawych pomysłów. Ponieważ wibracje są zasadniczo ciepłem, ten rodzaj kontroli doprowadził do powstania różnych innowacyjnych mechanizmów chłodzenia w skali nanoskopowej. A ponieważ każdy obiekt kwantowy może również przenosić informacje kwantowe, różni fizycy zastanawiają się nad sposobami wykorzystania fononów do obliczeń kwantowych.

Ale zanim będą mogli to zrobić, potrzebują sposobu na manipulowanie informacją kwantową, którą niosą fonony. I nikt nie wymyślił na to dobrego sposobu.

Dziś jednak Rusko Ruskov i Charles Tahan z University of Maryland mówią, że wiedzą, jak to zrobić. Ich pomysł to fononiczny odpowiednik Circuit-QED. Więc zamiast uwięzić foton we wnęce i wywołać jego interakcję ze sztucznym atomem, ci goście chcą to zrobić za pomocą fononów: fonodynamiki kwantowej.

Ich schemat jest stosunkowo prosty. Zaczynają od stworzenia krzemowej membrany – jednowymiarowego kryształu krzemu o grubości około 200 nanometrów. Projektują właściwości tej membrany, aby stworzyć rodzaj falowodu, który steruje fononami.

Tworzą fonon, uderzając tę ​​membranę laserem, który wysyła pakiet wibracji kwantowych przez sieć.

Odpowiednikiem atomu uwięzionego we wnęce optycznej jest pojedynczy atom boru lub aluminium, który zniekształca sieć. To właśnie to zniekształcenie oddziałuje z fotonem.

Jednak fizycy mogą użyć zewnętrznego pola magnetycznego, aby zniekształcenie przybierało kilka różnych poziomów energii. Zmienia to sposób, w jaki fonon oddziałuje w sposób, który przetwarza zawarte w nim informacje.

Wreszcie, fonon przechodzi do innego obszaru sieci krzemowej z przerwą wzbronioną, która została zaprojektowana w celu przekształcenia fononu w foton, który można następnie zmierzyć.

To brzmi jak dobry plan. Fizycy już wiedzą, że Circuit-QED to potężny sposób manipulowania informacją kwantową. Tak więc jedyne pytanie dotyczy wykonalności projektu pod kątem fonodynamiki kwantowej.

Trudnością będzie oczywiście zbudowanie tego, co jak mówią Ruskov i Tahan będzie przełomowym osiągnięciem.

Przetwarzanie informacji kwantowej to zatłoczony obszar z wieloma pomysłami, planami i urządzeniami konkurującymi o zainteresowanie i finansowanie. Phononika ma tę zaletę, że jest rozwijającą się dziedziną o szerokim zastosowaniu w różnych egzotycznych formach informatyki. Będziemy z zainteresowaniem przyglądać się, jak się rozwinie.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1208.1776 : Fonodynamika kwantowa na chipie

ukryć