یک دستگاه به اندازه تراشه می تواند ذرات صدا را به گونه ای دستکاری کند که نحوه استفاده از ذرات نور در رایانه های کوانتومی مبتنی بر نور را تقلید کند و دری را برای ساخت رایانه های کوانتومی مبتنی بر صدا باز کند.
یکی از راه‌های رایج ساخت رایانه‌های کوانتومی این است که اطلاعات را در حالت‌های کوانتومی ذرات نور رمزگذاری می‌کنند، سپس آنها را از طریق هزارتویی از آینه‌ها و عدسی‌ها برای دستکاری آن اطلاعات ارسال می‌کنند. اندرو کلیلند از دانشگاه شیکاگو و همکارانش تصمیم گرفتند همین کار را با ذرات صوت انجام دهند.
صدا زمانی ایجاد می شود که جسم یا ماده ای مانند هوا ارتعاش کند. ما آن را به عنوان یک نویز پیوسته می شنویم، اما در واقع مجموعه ای از تکه های کوچک ارتعاش یا ذرات صدا است که فونون نامیده می شود.
کلیکند گفت: «ساخت یک فونون مستلزم آن است که کوادریلیون ها اتم به طور جمعی حرکت کنند، اما در آزمایش ما، هر کدام یک شی کوانتومی واحد هستند.»
تیم او دستگاهی به اندازه تراشه ساخت که دارای اجزایی از موادی کاملا رسانا است و می‌تواند فونون‌ها را یکی یکی قبل از ارسال به سایر قسمت‌های دستگاه بسازد. این تراشه در یک یخچال قدرتمند در دمای یک صدم کلوین نگهداری می شود تا فوتون ها اثرات کوانتومی را از خود نشان دهند. صدای هر فونون حدود یک میلیون برابر کمتراز صدای قابل شنیدن است.
محققان قبلا تراشه‌های مشابهی ساخته بودند، اما اکنون قطعه‌ای به نام تقسیم‌کننده پرتو اضافه کرده‌اند. این شامل 16 نوار ریز و موازی آلومینیومی است که به گونه‌ای طراحی شده‌اند که هر صدایی که به آنها برخورد می‌کند منعکس شده و به قسمت‌های مساوی منتقل می‌شود. اما زمانی که محققان یک فونون را به داخل آن فرستادند، به جای اینکه به دو قسمت تقسیم شود، یک حالت برهم نهی کوانتومی به خود گرفت که در آن کل ذره به طور همزمان در حالت بازتاب و ارسال بود.
کلیلند می گوید که این دقیقاً همان چیزی است که آنها امیدوار بودند اتفاق بیفتد زیرا این فرآیند یک گام ضروری برای اجرای محاسبات روی رایانه های کوانتومی است که بر ذرات نور متکی هستند. محققان برای اینکه تراشه خود را حتی بیشتر شبیه یک کامپیوتر کوانتومی مبتنی بر صدا کنند، روشی را که معمولاً دو ذره نور برای «گفت‌وگو کردن با یکدیگر» ساخته می‌شوند و نحوه کنترل رفتار آنها در طول محاسبات مبتنی بر نور را با موفقیت بازسازی کردند.
در اینجا، آنها به طور همزمان دو فونون را از جهات مخالف به شکاف پرتو فرستادند و دیدند که حالت‌های برهم نهی مربوطه بر یکدیگر تأثیر می‌گذارند. در آینده، آنها از این روش برای اجرای عملیات ساده ای که برنامه های کامپیوتری را تشکیل می دهند، استفاده خواهند کرد.
دیرک بوومیستر از دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، می‌گوید که برای ذرات نور، رویه‌هایی مانند انتقال از راه دور کوانتومی یا ایجاد درهم تنیدگی به استفاده از تقسیم‌کننده‌های پرتو بستگی دارد و اکنون می‌توان آنها را با ذرات صوت نیز انجام داد. او می‌گوید: «این واقعاً دیدنی است که این تیم توانست فوتون‌ها را با فونون‌ها جایگزین کند.
Yiwen Chu از مؤسسه فناوری فدرال سوئیس در زوریخ می گوید از آنجایی که بسیاری از اجسام کوانتومی مختلف با صدا تعامل دارند، آزمایش های آینده می توانند از فونون ها برای انتقال اطلاعات کوانتومی بین اجزای مختلف و سخت اتصال یک تراشه محاسباتی کوانتومی استفاده کنند.
برای کلیلند، ساخت یک کامپیوتر کوانتومی مبتنی بر صدا فراتر از داشتن یک راه دیگر برای ساخت دستگاهی که در نهایت می‌تواند مشکلاتی را که در حال حاضر برای رایانه‌های معمولی غیرقابل حل هستند، حل کند، هیجان‌انگیز است. "امیدوارم یاد بگیرم که چقدر فیزیک کوانتومی می توانیم با اجسام مکانیکی انجام دهیم. فونون ها به نوعی ملموس تر، «گوشتی» تر از نور هستند، اما رفتارهای کوانتومی یکسانی را نشان می دهند. این برای من شگفت‌انگیز است.»
لینک مقاله:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8715
