spiegato | Anche i fononi, le particelle del suono, sono quanti?

Il movimento di un insetto sulla superficie dell’acqua crea due serie di increspature che si sovrappongono, creando uno schema di interferenza visibile nell’area delle ore 11-12, New Mexico, 29 maggio 2019. | Fonte immagine: Mike Lewinsky/Unsplash

Una delle novità più calde nel mondo dell’informatica in questi giorni sono i computer quantistici (l’altro è l’intelligenza artificiale). Recentemente, IBM carta pubblicata che affermava di aver dimostrato che un computer quantistico può risolvere un problema utile Un problema che i computer tradizionali di oggi non possono, ed è una conseguenza meritata dalle preoccupazioni che i loro calcoli possano diventare troppo inaffidabili man mano che diventano troppo complessi.

Cosa sono i qubit?

I computer quantistici usano i qubit come unità di base delle informazioni. Un qubit può essere una particella, come un elettrone; Un insieme di particelle o un sistema quantistico progettato per comportarsi come una particella. Le particelle possono fare cose bizzarre che oggetti di grandi dimensioni, come i semiconduttori nei computer classici, non possono fare perché sono guidate dalle regole della fisica quantistica. Queste regole permettono ad ogni qubit di avere i valori “on” e “off” contemporaneamente, es.

L’ipotesi del calcolo quantistico è che l’informazione possa essere “codificata” in qualche proprietà di una particella, come lo spin di un elettrone, e quindi elaborata utilizzando queste strane capacità. Di conseguenza, i computer quantistici dovrebbero eseguire calcoli complessi oltre la portata dei migliori supercomputer di oggi.

Altre forme di calcolo quantistico utilizzano altre unità di informazione. Ad esempio, il calcolo quantistico ottico lineare (LOQC) utilizza fotoni e particelle di luce come qubit. Proprio come diverse informazioni possono essere combinate e manipolate codificandole su elettroni e quindi facendo interagire gli elettroni in modi diversi, LOQC dimostra l’uso di apparecchiature ottiche – come specchi, lenti, divisori, lastre d’onda, ecc. – con fotoni per elaborare le informazioni.

Infatti, qualsiasi particella che può essere controllata e manipolata utilizzando i fenomeni della meccanica quantistica deve, sulla carta, essere utilizzabile come unità di informazione in un computer quantistico.

Cosa sono i fononi?

Questo è il motivo per cui i fisici si chiedono se possono usare anche i fononi. I fotoni sono pacchetti di energia luminosa. Allo stesso modo, i fononi sono pacchetti di energia vibrante. Quindi la domanda è: possiamo costruire un computer quantistico la cui unità di informazione sia, colloquialmente, intatta?

secondo la carta pubblicato in Scienze Questo mese dovrebbe essere possibile.

Il problema è che i ricercatori possono manipolare gli elettroni con correnti elettriche, campi magnetici, ecc., e possono manipolare i fotoni con specchi, lenti, ecc. – ma con cosa possono manipolare i fononi? A tal fine, nel nuovo studio, i ricercatori dell’Università di Chicago riferiscono di aver sviluppato un divisore di raggio acustico.

Cos’è un divisore di raggi?

I divisori di fascio sono ampiamente utilizzati nella ricerca ottica. Immagina una torcia che brilla lungo una linea retta. Questo è fondamentalmente un flusso di fotoni. Quando un divisore di raggio viene posizionato nel percorso della luce, divide il raggio in due: ovvero rifletterà il 50% dei fotoni da un lato e consentirà all’altro 50% di attraversarlo.

Anche se sembra semplice, il funzionamento di un beam splitter è in realtà basato sulla fisica quantistica. Se gli fai brillare un milione di fotoni, produrrà due raggi, 500.000 fotoni ciascuno. Possiamo quindi riflettere questi due raggi in modo che si intersechino l’un l’altro, creando uno schema di interferenza (ricorda l’esperimento della doppia fenditura di Young). Ma i ricercatori hanno scoperto che lo schema di interferenza appare anche quando fanno brillare i fotoni nel divisore di raggio uno per uno. Quali fotoni sono coinvolti? La risposta è loro stessi.

Questo perché a) le particelle possono anche comportarsi come onde, e b) fino a quando non viene fatta un’osservazione, esiste un sistema quantistico in una sovrapposizione di tutti i suoi possibili stati (come un qubit che è in parte ‘acceso’ e in parte ‘spento’ allo stesso tempo tempo). Quindi, quando una singola onda interagisce con un divisore di raggio, va in sovrapposizione dei due possibili esiti: riflesso e trasmesso. Quando questi stati si combinano, il Stile di intervento Lui appare.

Cosa ha fatto il nuovo studio?

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno sviluppato un divisore di raggio acustico, un piccolo dispositivo simile a un pettine, con 16 aste di metallo che sporgono da esso. È stato posto al centro di un canale di 2 mm di niobato di litio. Ciascuna estremità del canale aveva un qubit superconduttore, un qubit i cui componenti circuitali erano superconduttori, in grado di emettere e rilevare simultaneamente singoli fononi. L’intera configurazione è stata mantenuta a una temperatura molto bassa.

Se questi fononi fossero convertiti in suono, la loro frequenza sarebbe troppo alta per essere udita dagli esseri umani. Ogni fonone nello studio, secondo l’articolo, rappresenta la vibrazione “collettiva” di circa un quadrilione di atomi.

Il team ha scoperto che questi fononi interagiscono con il pettine proprio come i fotoni interagiscono con un divisore di raggio ottico. Quando un telefono emette dal lato sinistro del canale, viene riflesso metà del tempo e trasmesso al lato destro l’altra metà. Quando i fononi venivano emessi simultaneamente dai lati sinistro e destro, finivano su un lato (come previsto).

Computer basato sul telefono…?

“La domanda scientifica fondamentale è se i fononi… si comportino effettivamente nel modo in cui la meccanica quantistica dice che dovrebbero”, ha detto Andrew Cleland, fisico della Pritzker School of Molecular Engineering e membro del gruppo di studio. Fisica rivista. I test della sua squadra lo dimostrano.

Ma c’è ancora molta strada da qui a un computer quantistico funzionale che usa i fononi come unità di informazione. Il fisico dell’Università di Nottingham Andrew Armor lo ha espresso in modo più ampio Notizie di scienzaQuello che stai facendo è ridimensionare [quantum] La cassetta degli attrezzi… la gente ci costruirà sopra, durerà e non c’è segno che si fermerà presto”.

• IBM ha pubblicato un documento affermando di aver dimostrato che un computer quantistico può risolvere un problema utile Un problema che i computer tradizionali di oggi non possono, ed è una conseguenza meritata dalle preoccupazioni che i loro calcoli possano diventare troppo inaffidabili man mano che diventano troppo complessi.

• Il team ha scoperto che questi fononi interagiscono con il pettine proprio come i fotoni interagiscono con un divisore di raggio ottico.

• I divisori di fascio sono ampiamente utilizzati nella ricerca ottica. Immagina una torcia che brilla lungo una linea retta. Questo è fondamentalmente un flusso di fotoni. Quando un divisore di raggio viene posizionato nel percorso della luce, divide il raggio in due: ovvero rifletterà il 50% dei fotoni da un lato e consentirà all’altro 50% di attraversarlo.