„Dělené“ fonony jsou pokrokem k mechanickým kvantovým výpočtům

Důmyslné experimenty s fonony ověřily kvantové vlastnosti těchto kvazičástic a potvrdily, že je možné je využít při stavbě lineárních mechanických kvantových počítačů. Vzhledem k tomu, že fonony jsou vlastně kolektivní pohyby ohromného množství atomů, jde o zajímavý vývoj kvantových výpočtů směrem do makrosvěta.

Interference dvou fononů. Kredit: Peter Allen.

Když posloucháme hudbu, je to vlastně proud kvantových kvazičástic fononů, čili vibračních kvant. Jednotlivý fonon představuje kolektivní pohyb mnoha bilionů atomů v materiálu. Vědci se snaží fonony využít v kvantových výpočtech podobně, jako se dnes v optických kvantových počítačích využívají fotony.

Andrew Cleland. Kredit: University of Chicago.

S takovými (kvazi)částicemi se dají dělat zajímavé kousky. Andrew Cleland z University of Chicago a laboratoří Argonne National Laboratory se svým týmem jako první „rozdělil“ fonony pomocí akustického děliče svazku (Acoustic beamsplitter), čímž předvedl kvantovou povahu fononů.

Badatelé v experimentech pracovali s fonony, které mají zhruba milionkrát vyšší výšku tónu, než je možné slyšet lidským uchem. Postavili systém, který zahrnuje dva qubity pro generování a detekci fononů, funguje za extrémně nízkých teplot a použité fonony se v něm šíří na povrchu lithium niobátu.

Kvantový výzkum fononů. Kredit: Joel Wintermantle / University of Chicago.

S pomocí akustického děliče svazků „dělili“ fonony. Uvozovky jsou zcela na místě, protože podle kvantové mechaniky jsou jednotlivé fonony nedělitelné. Clelandův tým ve skutečnosti děličem svazku uváděli fonony do stavu kvantové superpozice, kdy je fonon zároveň odrážen i přenášen. Jak už nás to u superpozice nepřekvapí, pozorování takového fononu vedlo ke kolapsu superpozice do jednoho ze zmíněných stavů.

Ve druhém experimentu ověřili, že kvantový Hong–Ou–Mandelův jev, čili interference dvou fotonů (2-photon interference), poprvé pozorovaný v 80tých letech u fotonů, funguje i pro fonony. Jde o to, že když se do děliče svazků vyšlou současně dva fonony, dojde po jejich uvedení do stavu superpozice k interferenci, která je obdobou interference dvou fotonů a výsledné fonony se vždy pohybují společně, do jediného ze dvou qubitových detektorů.

Kvantové kejkle s fonony jsou mnohem větším úspěchem, než když jde o fotony. Jeden foton je jedna elementární částice, zatímco jeden fonon představuje souhru ohromného množství atomů. Experimenty Clelandova týmu vlastně zkoumají divočinu na pomezí světa klasické fyziky a říše kvant. Cleland je fascinován tím, že dotyčné kvantové jevy nejsou omezené fyzickou velikostí.

Experimenty s fonony podle Clelanda potvrzují, že už máme k dispozici technologie, který umožní postavit lineární mechanický kvantový počítač, kombinující přednosti některých dnes používaných kvantových počítačů. Teď přijdou na řadu fononová hradla, tedy základní stavební prvky logických obvodů. Právě na tom Cleland a jeho kolegové v současnosti pracují.

Video: Andrew N. Cleland - Microelectromechanical Devices in the Quantum Limit