Il suono viene manipolato per l'elaborazione delle informazioni quantistiche

Il suono fa parte del mondo classico e macroscopico, quindi normalmente non pensiamo al suono come a un fenomeno quantistico. Tuttavia, per alcuni dei suoni più silenziosi possibili, entra in gioco la meccanica quantistica. Ora, un team di ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago e dell'Argonne National Lab degli Stati Uniti ha dimostrato come il suono possa essere utilizzato per creare due suoni per eccellenza. effetti quantistici: sovrapposizione e interferenza. Di conseguenza, le tecnologie basate sul suono potrebbero presto essere utilizzate per creare computer quantistici.

Proprio come le onde elettromagnetiche sono quantizzate come fotoni simili a particelle, le onde sonore possono essere quantizzate come fononi simili a particelle. Tuttavia, a differenza dei fotoni, che sono particelle fondamentali, i fononi sono eccitazioni collettive che coinvolgono un gran numero di atomi o molecole. Tuttavia, queste eccitazioni collettive obbediscono alle leggi della meccanica quantistica. Ora, Andrew Cleland e colleghi di Chicago hanno dimostrato che la natura quantistica dei fononi potrebbe essere potenzialmente utilizzata per eseguire compiti computazionali complessi.

"Un fonone rappresenta il movimento collettivo di un numero astronomico di atomi", afferma Cleland. “E devono lavorare tutti insieme per obbedire alla meccanica quantistica. C'era questa domanda in un angolo della mia mente: funzionerà davvero? L’abbiamo provato ed è piuttosto sorprendente, ma funziona davvero”.

Il team ha creato singoli fononi come pacchetti d'onda che si propagano sulla superficie di un chip di niobato di litio. I fononi sono stati creati e rilevati utilizzando due qubit superconduttori, posizionati su un chip separato e accoppiati al chip di niobato di litio attraverso l'aria. I due qubit superconduttori erano posizionati su uno dei due chip, con un canale lungo due millimetri tra di loro che ospitava i fononi viaggianti.

Nel mezzo del percorso del fonone, il team ha creato un divisore di fascio, ovvero un dispositivo che divide un fascio di fononi in due fasci che viaggiano in due direzioni diverse. A causa della natura quantistica dei fononi, il divisore di fascio può mettere un fonone in una sovrapposizione quantistica di un fonone che ha preso un percorso e un fonone che ha preso l'altro percorso. I ricercatori hanno dimostrato la loro capacità di creare una tale sovrapposizione rimandando entrambe le “metà” attraverso il divisore di fascio e osservando uno schema di interferenza.

Successivamente, hanno rivolto la loro attenzione alla riproduzione dell’“effetto Hong-Ou-Mandel”, che è al centro delle architetture di calcolo quantistico fotonico. Normalmente, ciò comporta l'invio di due fotoni in un divisore di raggio da direzioni opposte. L'interferenza quantistica impone che entrambi i fotoni emergano sempre nella stessa direzione dal divisore di fascio. Il gruppo di Chicago è riuscito a dimostrare questo effetto utilizzando i fononi.

I computer quantistici sono attualmente in fase di sviluppo utilizzando diversi tipi di qubit, inclusi ioni intrappolati, circuiti superconduttori e fotoni. A differenza degli ioni e dei superconduttori, i fotoni non interagiscono tra loro: due fasci di luce possono semplicemente attraversarsi senza essere influenzati. Ciò significa che è difficile eseguire operazioni a due qubit con i fotoni. Invece, le piattaforme fotoniche creano grandi cluster di fotoni altamente entangled e utilizzano la misurazione classica di alcuni di questi fotoni per eseguire calcoli.

A causa della loro somiglianza con i fotoni, ci si aspetta che i fononi siano capaci degli stessi tipi di elaborazione delle informazioni quantistiche dei fotoni, e Cleland e colleghi hanno dimostrato che ciò dovrebbe essere possibile. Tuttavia, i fononi differiscono dai fotoni in diversi modi fondamentali. I qubit fononici richiedono un raffreddamento criogenico e soffrono di tassi di perdita molto più elevati. Tuttavia, questa piattaforma offre un vantaggio importante che le tradizionali implementazioni fotoniche non offrono: lo stato del fonone viene rilevato da un qubit superconduttore in modo completamente quantistico, preservando tutte le informazioni di sovrapposizione ed entanglement. I ricercatori sperano che ciò si riveli utile nello sviluppo delle future tecnologie quantistiche.

"Stiamo cercando di rendere pubblico", dice Cleland, "che è possibile costruire un sistema in cui è possibile eseguire il calcolo quantistico in stile ottico su un piccolo sistema e integrarlo direttamente con un computer quantistico standard basato su gate". Cleland spiega che questo è importante perché questa integrazione diretta non può essere fatta con i fotoni.