مشابه فوتون هایی که پرتوهای نور را می سازند، ذرات کوانتومی تقسیم ناپذیری که فونون نامیده می شوند، پرتویی از صوت را تشکیل می دهند. این ذرات از حرکت جمعی کوادریلیون‌ها اتم پدید می‌آیند، همانطور که یک «موج استادیوم» در یک میدان ورزشی ناشی از حرکت هزاران هوادار فردی ایجاد میشود. وقتی به آهنگی گوش می دهید، جریانی از این ذرات کوانتومی بسیار کوچک را می شنوید.
فونون‌ها که در ابتدا برای توضیف ظرفیت‌های گرمایی جامدات طراحی شده‌اند، از قوانین مکانیک کوانتومی مشابه فوتون‌ها پیروی می‌کنند. با این حال، فناوری تولید و شناسایی فونون‌ها از فوتون‌ها عقب مانده است. این فناوری تنها در حال حاضر توسط گروه تحقیقاتی Andrew Clealand در دانشکده مهندسی مولکولی پریتزکر در دانشگاه شیکاگو در حال توسعه است. آنها در حال بررسی خواص کوانتومی اساسی صدا با تقسیم فونون ها به دو نیم و درهم تنیدگی آنها هستند. تحقیقات بنیادی گروه انها در مورد فونون ها ممکن است روزی به محققان اجازه دهد تا نوع جدیدی از کامپیوتر کوانتومی به نام کامپیوتر کوانتومی مکانیکی بسازند.
ایجاد برهم‌نهی
برای بررسی خواص کوانتومی فونون ها، تیم آنها از آینه های صوتی استفاده می کند که می توانند پرتوهای صوت را هدایت کنند. با این حال، آخرین آزمایش‌های آنها، که در ژورنال Science منتشر شد، شامل آینه‌های پرتوهای تقسیم‌کننده (Beam Splitter Mirrors) است که تقریباً نیمی از صدای ارسالی به سمت آنها را منعکس می‌کنند و نیمی دیگر را از آن عبور می‌دهند. تیم آنها تصمیم گرفت بررسی کند که وقتی یک فونون را به سمت یک تقسیم کننده پرتو هدایت می کنیم چه اتفاقی می افتد.
همانطور که یک فونون تقسیم ناپذیر است. نمی توان آن را تقسیم کرد. در عوض، پس از برهمکنش با شکاف دهنده پرتو، فونون به حالتی ختم میشود که «وضعیت سوپرپوزیشن» نامیده میشود. در این حالت، فونون، هم منعکس میشود و هم منتقل میشود، و شما به یک اندازه احتمال دارد که فونون را در هر حالت تشخیص دهید. اگر مداخله کنید و فونون را اندازه گیری کنید، نیمی از زمان ها منعکس شده و نیمی از زمان ها منتقل شده است. یعنی حالت آن به طور تصادفی توسط آشکارساز انتخاب می شود. بدون اندازه گیری، فونون در حالت برهم نهی باقی می ماند که هم ارسال می شود و هم بازتاب می شود. این اثر برهم نهی سال ها پیش با فوتون ها مشاهده شد. نتایج جدید اما نشان می دهد که فونون ها دارای ویژگی یکسانی هستند.
ایجاد درهم‌تنیدگی
اگر دو فوفون یکسان را از هر جهت به داخل تقسیم‌کننده پرتو بفرستیم چه اتفاقی می‌افتد؟ به نظر می رسد که هر فونون به حالت برهم نهی مشابه نیمه انتقالی و نیمه بازتابیده می رود. اما به دلیل فیزیک شکاف دهنده پرتو، اگر فونون ها را دقیقاً زمان بندی کنیم، آنها از نظر مکانیکی کوانتومی با یکدیگر تداخل خواهند داشت. آنچه پدیدار می شود در واقع یک حالت برهم نهی است از دو فونون که در یک سمت حرکت می کنند و دو فونون به سمت دیگر حرکت می کنند - بنابراین این دو فونون از نظر مکانیکی کوانتومی درهم تنیده شده اند. در درهم تنیدگی کوانتومی، هر فونون در یک برهم نهی منعکس شده و منتقل شده قرار دارد، اما دو فونون در کنار هم قفل شده اند. این بدان معنی است که تشخیص یک فونون به عنوان انتقال شده یا منعکس شده، فونون دیگر را مجبور می کند در همان حالت قرار گیرد. بنابراین، اگر آشکارسازی انجام دهیم، همیشه دو فونون را تشخیص خواهید داد، به یک طرف یا طرف دیگر می روند، اما هرگز یک فونون در هر طرف نخواهد رفت. همین اثر برای نور، ترکیب برهم نهی و تداخل دو فوتون نیز انجام شده است که آزمایش هونگ اوماندل (HOM: Hong Ou Mandel) نامیده می شود.
این نتایج نشان می دهد که اکنون ممکن است بتوان یک کامپیوتر کوانتومی مکانیکی با استفاده از فونون ها ساخت. یک کامپیوتر کوانتومی با استفاده از فونون‌ها می‌تواند بسیار کوچک باشد و کاملاً بر روی تراشه‌ای شبیه به پردازنده لپ‌تاپ ساخته شود. اندازه کوچک آن می تواند پیاده سازی و استفاده از آن را آسان تر کند، اگر محققان بتوانند فناوری های مبتنی بر فونون را بیشتر گسترش دهند و بهبود بخشند.
آزمایش‌های گروه Clealand با فونون‌ها از کیوبیت‌ها استفاده می‌کند. پس به این معنی است که پتانسیل ادغام رایانه‌های مبتنی بر فونون (کامپیوتر کوانتومی مکانیکی) با رایانه‌های کوانتومی الکترونیکی وجود دارد. انجام این کار می تواند توانایی های محاسباتی جدید و بالقوه منحصر به فردی را به همراه داشته باشد.
لینک مقاله:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8715
