Фононы, самые маленькие биты звука, имеют много общего с фотонами. Приглушая звук динамика, мы снижаем количество фононов, как выключение лампочки уменьшает количество фотонов. Самые тихие звуки состоят из отдельных и неделимых фононов. Однако в отличие от фотонов, частицы звука не могут перемещаться в пустоте, им нужна среда: воздух, вода или, как в случае этого исследования, эластичный материал. Фононы невозможно раздробить на более мелкие части окончательно, но новый эксперимент показал, что это можно сделать на некоторое время, с помощью квантовой механики.
Смотрите также Ученые создают притягивающий луч, чтобы очистить космос от мусора.
Как это работает
Команда физиков из Университета Чикаго справились с этой задачей, применив разделитель звукового пучка – устройство, пропускающее сквозь себя примерно половину входящих фононов, отражая оставшиеся обратно. Но когда в этот делитель попадает всего один фонон за отрезок времени, он входит в особое квантовое состояние, в котором реализуются одновременно оба варианта развития событий — он проходит в обе стороны одновременно. Отраженный и прошедший фонон взаимодействует сам с собой в процессе интерференции.
Лабораторная демонстрация этого эффекта была проведена со звуком, в миллионы раз более высоким, чем может услышать человеческое ухо, внутри устройства, охлажденного до температур, очень близких к абсолютному нулю. Вместо динамиков и микрофонов ученые использовали квантовые биты информации, запуская фонон от одного кубита к другому. По пути фонон натыкался на делитель звукового пучка.
Регулировка параметров установки меняла способ взаимодействия отраженной и переданной частей фонона между собой. Это позволило исследователям квантово-механически изменять вероятность того, что весь фонон вернется обратно к кубиту, который запустил фонон, или к кубиту по другую сторону разветвителя луча.
Интересным моментом является то, что после разбиения фонона, обе его частицы впоследствии собираются обратно, прибывая к одному и тому же кубиту. Имея возможность попасть случайным образом на любой, они всегда оказываются на том же кубите, что и другая частица, собираясь затем вместе.
Следующим логичным шагом в этом эксперименте будет показать, что мы можем произвести квантовый вентиль с фононами. Это будет один вентиль в группе вентилей, необходимых для подлинных вычислений,
– говорит Эндрю Клиланд, один из исследователей.
Звуковые устройства вряд ли превзойдут квантовые компьютеры на фотонах, но могут привести к созданию новых квантовых приложений, пока неясно, каких именно.