كيف يمكن أن يؤدي تقسيم الصوت إلى نوع جديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية

عند تشغيل المصباح لإضفاء السطوع على غرفة ما ، فإنك تواجه طاقة ضوئية تنتقل كفوتونات ، وهي عبارة عن حزم كمية صغيرة منفصلة من الطاقة. يجب أن تخضع هذه الفوتونات للقوانين الغريبة أحيانًا لميكانيكا الكم ، والتي ، على سبيل المثال ، تملي أن الفوتونات غير قابلة للتجزئة ، ولكنها في نفس الوقت تسمح للفوتون أن يكون في مكانين في وقت واحد.

على غرار الفوتونات التي تشكل حزمًا من الضوء ، تشكل الجسيمات الكمومية غير القابلة للتجزئة والتي تسمى الفونونات شعاعًا من الصوت. تنبثق هذه الجسيمات من الحركة الجماعية لمليارات الذرات ، مثل “موجة الاستاد” في الساحة الرياضية بسبب حركة الآلاف من المشجعين الفرديين. عندما تستمع إلى أغنية ، فإنك تسمع دفقًا من هذه الجسيمات الكمومية الصغيرة جدًا.

تم تصميم الفونونات في الأصل لشرح السعات الحرارية للمواد الصلبة ، ومن المتوقع أن تلتزم الفونونات بنفس قواعد ميكانيكا الكم مثل الفوتونات. ومع ذلك ، فإن تقنية توليد وكشف الفونونات الفردية قد تأخرت عن تلك الخاصة بالفوتونات.

هذه التكنولوجيا يتم تطويرها الآن ، جزئيًا بواسطة مجموعتي البحثية في كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية في جامعة شيكاغو. نحن نستكشف الخصائص الكمومية الأساسية للصوت عن طريق تقسيم الفونونات إلى نصفين وتشابكها معًا.

قد تسمح الأبحاث الأساسية لمجموعتي حول الفونونات للباحثين يومًا ما ببناء نوع جديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، يسمى الكمبيوتر الكمي الميكانيكي.

تقسيم الصوت بالمرايا “السيئة”

لاستكشاف الخصائص الكمومية للفونونات ، يستخدم فريقنا المرايا الصوتية التي يمكنها توجيه حزم الصوت. ومع ذلك ، فإن تجاربنا الأخيرة ، التي نُشرت في عدد حديث من مجلة Science ، تتضمن مرايا “سيئة” ، تسمى مقسمات الأشعة ، والتي تعكس حوالي نصف الصوت المرسل نحوها وتسمح للنصف الآخر بالمرور. قرر فريقنا استكشاف ما يحدث عندما نوجه هاتفًا إلى جهاز تقسيم الحزمة.

مثل الهاتف غير قابل للتجزئة ؛ لا يمكن تقسيمها. بدلاً من ذلك ، بعد التفاعل مع جهاز تقسيم الحزمة ، ينتهي الفونون بما يسمى “حالة التراكب”. في هذه الحالة ، يكون الفونون ، على نحو متناقض إلى حد ما ، منعكسًا ومُرسلًا ، ومن المحتمل أيضًا أن تكتشف الهاتف في أي من الحالتين. إذا تدخلت واكتشفت الفونون ، فستقيس نصف الوقت الذي انعكس فيه ونصف الوقت الذي تم إرساله فيه ؛ بمعنى ما ، يتم اختيار الحالة عشوائيًا بواسطة الكاشف. في غياب عملية الكشف ، سيبقى الفونون في حالة تراكب يتم إرساله وانعكاسه.

لوحظ تأثير التراكب هذا منذ سنوات عديدة مع الفوتونات. تشير نتائجنا إلى أن الفونونات لها نفس الخاصية.

الفونونات المتشابكة

بعد إثبات أن الفونونات يمكن أن تدخل في التراكبات الكمومية تمامًا كما تفعل الفوتونات ، طرح فريقي سؤالًا أكثر تعقيدًا. أردنا أن نعرف ماذا سيحدث إذا أرسلنا فونونين متطابقين إلى فاصل الحزمة ، واحد من كل اتجاه.

اتضح أن كل فونون سوف ينتقل إلى حالة تراكب مماثلة من نصف الإرسال ونصف المنعكس. ولكن بسبب فيزياء فاصل الحزمة ، إذا قمنا بضبط توقيت الفونونات بدقة ، فسوف تتداخل ميكانيكي الكم مع بعضها البعض. ما ينشأ في الواقع هو حالة تراكب مكونة من فونونين يسيران في اتجاه واحد وفونونان يسيران في الاتجاه الآخر – وبالتالي فإن الفونونين متشابكان ميكانيكيًا الكم.

في حالة التشابك الكمي ، يكون كل فونون في حالة تراكب من انعكاس ومُرسل ، لكن الفونونين مقفلين معًا. هذا يعني أن اكتشاف أحد الفونون على أنه تم إرساله أو انعكاسه يفرض على الهاتف الآخر أن يكون في نفس الحالة.

لذا ، إذا اكتشفت ، فسوف تكتشف دائمًا اثنين من الفونونات ، يسيران في اتجاه أو آخر ، ولا يعمل أي فونون مطلقًا في كل اتجاه. هذا التأثير نفسه للضوء ، مزيج من التراكب والتداخل لفوتونين ، يسمى تأثير هونغ-أو-ماندل ، نسبة للفيزيائيين الثلاثة الذين تنبأوا به ولاحظوه لأول مرة في عام 1987. الآن ، أظهرت مجموعتي هذا التأثير مع الصوت.

مستقبل الحوسبة الكمومية

تشير هذه النتائج إلى أنه قد يكون من الممكن الآن بناء كمبيوتر كمي ميكانيكي باستخدام الفونونات. هناك جهود متواصلة لبناء حواسيب كمومية بصرية لا تتطلب سوى انبعاث واكتشاف وتداخل فوتونات مفردة. تتزامن هذه الجهود مع الجهود المبذولة لبناء حواسيب كمومية كهربائية ، والتي من خلال استخدام أعداد كبيرة من الجسيمات المتشابكة تعد بتسريع أسي لمشاكل معينة ، مثل تحليل الأعداد الكبيرة أو محاكاة الأنظمة الكمومية.

يمكن أن يكون الكمبيوتر الكمي الذي يستخدم الفونونات مضغوطًا جدًا ومستقلًا ذاتيًا ، ومبنيًا بالكامل على شريحة مشابهة لتلك الموجودة في معالج الكمبيوتر المحمول. يمكن لصغر حجمها أن يسهل التنفيذ والاستخدام ، إذا تمكن الباحثون من توسيع وتحسين التقنيات القائمة على الفونون.

تستخدم تجارب مجموعتي مع الفونونات الكيوبتات – وهي نفس التقنية التي تشغل أجهزة الكمبيوتر الكمومية الإلكترونية – مما يعني أنه مع تطور تقنية الفونونات ، هناك إمكانية لدمج أجهزة الكمبيوتر القائمة على الفونون مع أجهزة الكمبيوتر الكمومية الإلكترونية. يمكن أن يؤدي القيام بذلك إلى قدرات حسابية جديدة وفريدة من نوعها.