I ricercatori "dividono" i fononi per procedere verso un nuovo tipo di computer quantistico

8 giugno 2023

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dall'Università di Chicago

Quando ascoltiamo la nostra canzone preferita, quella che sembra un'onda musicale continua viene in realtà trasmessa come minuscoli pacchetti di particelle quantistiche chiamate fononi.

Le leggi della meccanica quantistica sostengono che le particelle quantistiche sono fondamentalmente indivisibili e quindi non possono essere divise, ma i ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell’Università di Chicago stanno esplorando cosa succede quando si tenta di dividere un fonone.

In due esperimenti, i primi nel loro genere, un team guidato dal Prof. Andrew Cleland ha utilizzato un dispositivo chiamato divisore di fascio acustico per "dividere" i fononi e quindi dimostrare le loro proprietà quantistiche. Dimostrando che il divisore di fascio può essere utilizzato sia per indurre uno speciale stato di sovrapposizione quantistica per un fonone, sia per creare ulteriormente un’interferenza tra due fononi, il gruppo di ricerca ha compiuto i primi passi critici verso la creazione di un nuovo tipo di computer quantistico.

I risultati sono pubblicati sulla rivista Science e si basano su anni di lavoro rivoluzionario sui fononi da parte del team della Pritzker Molecular Engineering.

Negli esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato fononi con un tono circa un milione di volte più alto di quello udibile dall’orecchio umano. In precedenza, Cleland e il suo team avevano capito come creare e rilevare singoli fononi e furono i primi a mettere in correlazione due fononi.

Per dimostrare le capacità quantistiche di questi fononi, il team, incluso Hong Qiao, studente laureato di Cleland, ha creato un divisore di fascio che può dividere un raggio di suono a metà, trasmettendone metà e riflettendo l'altra metà alla sua sorgente (i divisori di fascio esistono già per la luce e hanno stato utilizzato per dimostrare le capacità quantistiche dei fotoni). L’intero sistema, inclusi due qubit per generare e rilevare i fononi, funziona a temperature estremamente basse e utilizza singoli fononi di onde acustiche superficiali, che viaggiano sulla superficie di un materiale, in questo caso niobato di litio.

Tuttavia, la fisica quantistica afferma che un singolo fonone è indivisibile. Quindi, quando il team ha inviato un singolo fonone al divisore di fascio, invece di dividersi, è andato in una sovrapposizione quantistica, uno stato in cui il fonone viene riflesso e trasmesso allo stesso tempo. L'osservazione (misurazione) del fonone fa sì che questo stato quantistico collassi in una delle due uscite.

Il team ha trovato un modo per mantenere lo stato di sovrapposizione catturando il fonone in due qubit. Un qubit è l'unità di informazione di base nell'informatica quantistica. Solo un qubit cattura effettivamente il fonone, ma i ricercatori non possono dire quale qubit fino a dopo la misurazione. In altre parole, la sovrapposizione quantistica viene trasferita dal fonone ai due qubit. I ricercatori hanno misurato questa sovrapposizione di due qubit, ottenendo "la prova standard di riferimento che il divisore di fascio sta creando uno stato entangled quantistico", ha detto Cleland.

Nel secondo esperimento, il team voleva mostrare un ulteriore effetto quantistico fondamentale che era stato dimostrato per la prima volta con i fotoni negli anni '80. Conosciuto ora come effetto Hong-Ou-Mandel, quando due fotoni identici vengono inviati contemporaneamente da direzioni opposte in un divisore di fascio, le uscite sovrapposte interferiscono in modo che entrambi i fotoni si trovino sempre a viaggiare insieme, nell'una o nell'altra direzione di uscita.

È importante sottolineare che la stessa cosa è accaduta quando il team ha condotto l’esperimento con i fononi: l’uscita sovrapposta significa che solo uno dei due qubit rilevatori cattura i fononi, andando in una direzione ma non nell’altra. Sebbene i qubit abbiano la capacità di catturare solo un singolo fonone alla volta, non due, il qubit posizionato nella direzione opposta non "sente" mai un fonone, dando prova che entrambi i fononi stanno andando nella stessa direzione. Questo fenomeno è chiamato interferenza a due fononi.