Hvordan man bygger en Phononic Computer

Videnskaben om, hvordan lys interagerer med stof, kaldes kvanteelektrodynamik eller QED, og ​​teorien, som den er baseret på, er en af ​​kronen på værket i det 20. århundredes fysik.

I dag ligger det i hjertet af en ny teknologi kaldet kredsløb-QED, hvor fotoner fanget på en siliciumchip er lavet til at interagere med superledende enheder kaldet kunstige atomer, som har forskellige energiniveauer ligesom rigtige atomer.

Dette er et lovende værktøj til kvanteberegning. Circuit-QED-enheder manipulerer kvanteinformation, når den overføres fra lys til stof og omvendt. Og det faktum, at alt dette foregår på en enkelt chip, giver mulighed for hidtil uset kontrol.

Men der er en anden måde at udføre denne form for kvanteinformationsbehandling på, som kunne være lige så lovende. I stedet for at stole på lys, bruger dette kvantepakker af lyd kaldet fononer.

Fononer er kvantevibrationer, der bevæger sig gennem det gitter, der udgør materialer, meget på samme måde, som lyd passerer gennem luften. Normalt er det rodede og usammenhængende ting, som vi ser som varme og støj, ting som vi normalt ønsker at minimere eller fjerne helt.

Men i de senere år er fysikere begyndt at undersøge måder at skabe fononer på med vilje, for at fange dem og gøre dem sammenhængende.

Det har givet dem en række interessante ideer. Da vibrationer hovedsageligt er varme, har denne form for kontrol ført til forskellige innovative kølemekanismer på den nanoskopiske skala. Og da ethvert kvanteobjekt også kan bære kvanteinformation, tænker forskellige fysikere på måder at bruge fononer til kvanteberegning.

Men før de kan gøre det, har de brug for en måde at manipulere den kvanteinformation, som fononer bærer. Og ingen har fundet en god måde at gøre det på.

I dag siger Rusko Ruskov og Charles Tahan ved University of Maryland dog, at de ved, hvordan det skal gøres. Deres idé er den foniske ækvivalent til kredsløbs-QED. Så i stedet for at fange en foton i et hulrum og få den til at interagere med et kunstigt atom, vil disse fyre gøre det med fononer: kvantefonodynamik.

Deres ordning er forholdsvis ligetil. De begynder med at skabe en siliciummembran - en endimensionel siliciumkrystal på omkring 200 nanometer tyk. De konstruerer egenskaber ved denne membran, så de skaber en slags bølgeleder, der styrer fononer.

De skaber en fonon ved at zappe denne membran med en laser, som sender en kvantepakke af vibrationer gennem gitteret.

Svaret til et atom fanget i et optisk hulrum er et enkelt atom af bor eller aluminium, som forvrænger gitteret. Det er denne forvrængning, der interagerer med fotonen.

Men fysikere kan bruge et eksternt magnetfelt til at få forvrængningen til at tage flere forskellige energiniveauer. Dette ændrer den måde, fononen interagerer på, på en måde, der behandler den information, den bærer.

Til sidst passerer fononen ind i en anden region af siliciumgitteret med et båndgab, der er blevet konstrueret til at konvertere fononen til en foton, som derefter kan måles.

Det lyder som en god plan. Fysikere ved allerede, at kredsløbs-QED er en kraftfuld måde at manipulere kvanteinformation på. Så det eneste spørgsmål er om gennemførligheden af ​​designet til kvantefonodynamik.

Vanskeligheden vil selvfølgelig være at bygge denne ting, som, som Ruskov og Tahan siger, vil være en skelsættende præstation.

Kvanteinformationsbehandling er et overfyldt område med mange ideer, planer og enheder, der konkurrerer om interesse og finansiering. Phononics har fordelen af ​​at være et spirende felt med bred anvendelse i forskellige eksotiske former for computere. Vi følger med interesse for at se, hvordan det udvikler sig.

Ref: arxiv.org/abs/1208.1776 : On-Chip kvantefonodynamik

skjule