Wie die Aufspaltung von Schall zu einer neuen Art von Quantencomputern führen könnte

Wenn Sie eine Lampe einschalten, um einen Raum zu erhellen, erleben Sie, dass Lichtenergie in Form von Photonen übertragen wird, bei denen es sich um kleine, diskrete Quantenenergiepakete handelt. Diese Photonen müssen den manchmal seltsamen Gesetzen der Quantenmechanik gehorchen, die beispielsweise vorschreiben, dass Photonen unteilbar sind, gleichzeitig aber zulassen, dass sich ein Photon an zwei Orten gleichzeitig aufhält.

Ähnlich wie die Photonen, aus denen Lichtstrahlen bestehen, bilden unteilbare Quantenteilchen, sogenannte Phononen, einen Schallstrahl. Diese Teilchen entstehen aus der kollektiven Bewegung von Billiarden Atomen, ähnlich wie eine „Stadionwelle“ in einer Sportarena auf die Bewegung Tausender einzelner Fans zurückzuführen ist. Wenn Sie ein Lied hören, hören Sie einen Strom dieser sehr kleinen Quantenteilchen.

Phononen wurden ursprünglich entwickelt, um die Wärmekapazitäten von Festkörpern zu erklären. Man geht davon aus, dass sie den gleichen Regeln der Quantenmechanik gehorchen wie Photonen. Die Technologie zur Erzeugung und Detektion einzelner Phononen ist jedoch hinter der für Photonen zurückgeblieben.

Diese Technologie wird erst jetzt entwickelt, teilweise von meiner Forschungsgruppe an der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago. Wir erforschen die grundlegenden Quanteneigenschaften von Schall, indem wir Phononen in zwei Hälften spalten und miteinander verschränken.

Die Grundlagenforschung meiner Gruppe zu Phononen könnte es Forschern eines Tages ermöglichen, einen neuen Typ von Quantencomputern zu bauen, einen sogenannten mechanischen Quantencomputer.

Um die Quanteneigenschaften von Phononen zu erforschen, verwendet unser Team akustische Spiegel, die Schallstrahlen lenken können. Unsere neuesten Experimente, die in einer aktuellen Ausgabe von Science veröffentlicht wurden, beinhalten jedoch „schlechte“ Spiegel, sogenannte Strahlteiler, die etwa die Hälfte des auf sie gerichteten Schalls reflektieren und die andere Hälfte durchlassen. Unser Team hat beschlossen, zu untersuchen, was passiert, wenn wir ein Phonon auf einen Strahlteiler richten.

Da ein Phonon unteilbar ist; es kann nicht geteilt werden. Stattdessen gelangt das Phonon nach der Interaktion mit dem Strahlteiler in einen sogenannten „Überlagerungszustand“. In diesem Zustand wird das Phonon paradoxerweise sowohl reflektiert als auch übertragen, und es ist gleichermaßen wahrscheinlich, dass Sie das Phonon in beiden Zuständen entdecken. Wenn Sie eingreifen und das Phonon erkennen, messen Sie die Hälfte der Zeit, in der es reflektiert wurde, und die Hälfte der Zeit, in der es übertragen wurde; In gewisser Weise wird der Zustand vom Detektor zufällig ausgewählt. Ohne den Detektionsprozess bleibt das Phonon im Überlagerungszustand, in dem es sowohl gesendet als auch reflektiert wird.

Dieser Überlagerungseffekt wurde vor vielen Jahren bei Photonen beobachtet. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Phononen die gleiche Eigenschaft haben.

Nachdem mein Team gezeigt hatte, dass Phononen ebenso wie Photonen Quantenüberlagerungen eingehen können, stellte sie eine komplexere Frage. Wir wollten wissen, was passieren würde, wenn wir zwei identische Phononen in den Strahlteiler schicken würden, eines aus jeder Richtung.

Es stellt sich heraus, dass jedes Phonon in einen ähnlichen Überlagerungszustand von halb durchgelassener und halb reflektierter Strahlung übergeht. Aber aufgrund der Physik des Strahlteilers werden die Phononen quantenmechanisch miteinander interferieren, wenn wir sie zeitlich genau steuern. Es entsteht tatsächlich ein Überlagerungszustand von zwei Phononen, die in die eine Richtung gehen, und zwei Phononen, die in die andere Richtung gehen – die beiden Phononen sind also quantenmechanisch miteinander verschränkt.

Bei der Quantenverschränkung befindet sich jedes Phonon in einer Überlagerung von reflektiert und durchgelassen, aber die beiden Phononen sind miteinander verbunden. Das bedeutet, dass die Erkennung, dass ein Phonon gesendet oder reflektiert wurde, das andere Phonon dazu zwingt, sich im gleichen Zustand zu befinden.

Wenn Sie also etwas erkennen, werden Sie immer zwei Phononen erkennen, die sich in die eine oder andere Richtung bewegen, niemals ein Phonon, das sich in beide Richtungen bewegt. Derselbe Effekt für Licht, die Kombination aus Überlagerung und Interferenz zweier Photonen, wird Hong-Ou-Mandel-Effekt genannt, nach den drei Physikern, die ihn 1987 erstmals vorhergesagt und beobachtet haben. Jetzt hat meine Gruppe diesen Effekt mit Schall demonstriert.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass es nun möglich sein könnte, mithilfe von Phononen einen mechanischen Quantencomputer zu bauen. Es gibt anhaltende Bemühungen, optische Quantencomputer zu bauen, die nur die Emission, Detektion und Interferenz einzelner Photonen erfordern. Diese laufen parallel zu den Bemühungen, elektrische Quantencomputer zu bauen, die durch die Verwendung einer großen Anzahl verschränkter Teilchen eine exponentielle Beschleunigung bestimmter Probleme versprechen, beispielsweise der Faktorisierung großer Zahlen oder der Simulation von Quantensystemen.

Ein Quantencomputer, der Phononen verwendet, könnte sehr kompakt und eigenständig sein und vollständig auf einem Chip basieren, der dem Prozessor eines Laptop-Computers ähnelt. Seine geringe Größe könnte die Implementierung und Nutzung erleichtern, wenn Forscher phononbasierte Technologien weiter ausbauen und verbessern können.

Die Experimente meiner Gruppe mit Phononen nutzen Qubits – die gleiche Technologie, die elektronische Quantencomputer antreibt – was bedeutet, dass, wenn die Technologie für Phononen aufholt, das Potenzial besteht, phononbasierte Computer mit elektronischen Quantencomputern zu integrieren. Dadurch könnten neue, potenziell einzigartige Rechenfähigkeiten entstehen.

Andrew N. Cleland, Professor für molekulare Innovation und Unternehmen, University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.