قام الباحثون بتقسيم الفونونات في خطوة نحو نوع جديد من الكمبيوتر الكمي الميكانيكي الخطي

انطباع الفنان عن منصة للحوسبة الكمومية الميكانيكية الخطية (LMQC). العنصر الشفاف المركزي هو فاصل شعاع الفونون. 

تمثل الكرات الزرقاء والحمراء فونونات فردية، وهي عبارة عن حركات ميكانيكية جماعية لمليارات من الذرات. 

يمكن تصور هذه الحركات الميكانيكية على أنها موجات صوتية سطحية قادمة إلى فاصل الحزمة من اتجاهات متعاكسة. 

يعتبر التداخل ثنائي الفونون عند مقسم الحزمة مركزيًا في LMQC. تكون الفونونات الناتجة الخارجة من الصورة في حالة مكونة من هاتفين، مع هاتف واحد “أزرق” وفونون “أحمر” مجمعين معًا. الائتمان: بيتر ألين

التجارب هي الأولى من نوعها ويمكن أن تؤدي إلى تطورات جديدة في مجال الحوسبة.

اكتشف فريق من جامعة شيكاغو الخصائص الكمومية للفونونات ، وهي الجسيمات الكمومية التي تنقل الصوت. 

لقد أظهروا أنه يمكن “تقسيم” الفونونات إلى تراكب كمي وتتصرف مثل الفوتونات، مما يشير إلى أنه يمكن استخدام الفونونات في نوع جديد من الكمبيوتر الكمومي، وهو كمبيوتر كمومي ميكانيكي خطي، يمكنه إجراء حسابات فريدة.

عندما نستمع إلى أغنيتنا المفضلة، فإن ما يبدو وكأنه موجة مستمرة من الموسيقى ينتقل في الواقع كحزم صغيرة من الجسيمات الكمومية تسمى الفونونات.

تنص قوانين ميكانيكا الكم على أن الجسيمات الكمومية غير قابلة للتجزئة بشكل أساسي وبالتالي لا يمكن تقسيمها، لكن الباحثين في كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية (PME) بجامعة شيكاغو يستكشفون ما يحدث عندما تحاول تقسيم فونون.

“يجب أن تتصرف هذه الذرات معًا بشكل متماسك لدعم ما تقول ميكانيكا الكم أنها يجب أن تفعله. … إنه نوع من المدهش. الجوانب الغريبة لميكانيكا الكم لا تقتصر على الحجم “.

– أندرو كليلاند وأرجون وأوشيكاغو PME

في تجربتين – الأولى من نوعها – استخدم فريق بقيادة البروفيسور أندرو كليلاند جهازًا يُدعى جهاز إرسال الأشعة الصوتية “لتقسيم” الفونونات ومن ثم إظهار خصائصها الكمومية. 

من خلال إظهار أنه يمكن استخدام جهاز إرسال الحزم للحث على حالة تراكب كمي خاص لفونون واحد، وكذلك خلق تداخل بين اثنين من الفونونات ، اتخذ فريق البحث أولى الخطوات الحاسمة نحو إنشاء نوع جديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

نُشرت النتائج حديثًا في مجلة Science وتم بناؤها على سنوات من العمل الخارق على الفونونات من قبل فريق Pritzker Molecular Engineering.

في التجارب الأولى من نوعها، اتخذ فريق بحثي في ​​مدرسة بريتزكر للهندسة الجزيئية خطوات حاسمة نحو إنشاء كمبيوتر كمومي ميكانيكي خطي. الائتمان: جويل وينترمانتل

“تقسيم” فونون إلى تراكب

في التجارب، استخدم الباحثون فونونات ذات نغمة أعلى بمليون مرة تقريبًا مما يمكن سماعه بأذن الإنسان. في السابق، اكتشف كليلاند وفريقه كيفية إنشاء واكتشاف فونونات فردية وكانوا أول من ربط هاتفين.

لإثبات القدرات الكمومية لهذه الفونونات ، أنشأ الفريق – بما في ذلك طالب الدراسات العليا في كليلاند هونغ تشياو – جهازًا لتقسيم شعاع الصوت إلى النصف، ونقل النصف الآخر وعكس النصف الآخر إلى مصدره (توجد مقسمات الأشعة بالفعل للضوء ولديها لإثبات القدرات الكمومية للفوتونات). 

النظام بأكمله، بما في ذلك اثنين من الكيوبتات لتوليد وكشف الفونونات ، يعمل في درجات حرارة منخفضة للغاية ويستخدم فونونات الموجات الصوتية السطحية الفردية، والتي تنتقل على سطح مادة، في هذه الحالة، الليثيوم نيوبات.

يعمل طالب الدراسات العليا هونغ تشياو (إلى اليسار) وطالب الدراسات العليا كريس كونر في مختبر البروفيسور أندرو كليلاند. الائتمان: جويل وينترمانتل

ومع ذلك، تقول فيزياء الكم أن فونون واحد غير قابل للتجزئة. لذلك عندما أرسل الفريق فونونًا واحدًا إلى جهاز إرسال الأشعة، بدلاً من الانقسام، دخل في حالة تراكب كمي، وهي حالة ينعكس فيها الفونون وينتقل في نفس الوقت. 

تؤدي مراقبة (قياس) الفونون إلى انهيار هذه الحالة الكمومية في أحد المخرجين.

وجد الفريق طريقة للحفاظ على حالة التراكب هذه من خلال التقاط الفونون في اثنين من الكيوبتات. الكيوبت هي الوحدة الأساسية للمعلومات في الحوسبة الكمومية. 

فقط كيوبت واحد يلتقط الفونون ، لكن الباحثين لا يستطيعون معرفة أي كيوبت حتى بعد القياس: بمعنى آخر، يتم نقل التراكب الكمي من الفونون إلى الكيوبتين. 

قاس الباحثون هذا التراكب المكون من اثنين كيوبت ، مما أسفر عن “دليل قياسي ذهبي على أن جهاز إرسال الأشعة يخلق حالة متشابكة كمومية”، كما قال كليلاند ، وهو أيضًا عالم في مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية.

“أكدت النتيجة أن لدينا التكنولوجيا التي نحتاجها لبناء نوع جديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية الخطية.”

– أندرو كليلاند ، أستاذ جون إيه ماكلين الأب في ابتكارات ومشاريع الهندسة الجزيئية

إظهار الفونونات تتصرف مثل الفوتونات

في التجربة الثانية، أراد الفريق إظهار تأثير كمي أساسي إضافي تم إثباته لأول مرة باستخدام الفوتونات في الثمانينيات. 

يُعرف الآن باسم تأثير Hong-Ou-Mandel ، عندما يتم إرسال فوتونين متطابقين من اتجاهين متعاكسين إلى جهاز تقسيم الحزم في نفس الوقت، تتداخل النواتج المتراكبة بحيث يتم دائمًا العثور على كلا الفوتونين يسافران معًا، في اتجاه واحد أو آخر من اتجاهات الإخراج.

الأهم من ذلك، حدث الشيء نفسه عندما أجرى الفريق التجربة باستخدام الفونونات – الناتج المتراكب يعني أن واحدًا فقط من الكيوبت للكاشف يلتقط الفونونات ، ويسير في اتجاه واحد دون الآخر. 

على الرغم من أن الكيوبتات تمتلك فقط القدرة على التقاط فونون واحد في المرة الواحدة، وليس اثنين، فإن الكيوبت الموضوعة في الاتجاه المعاكس لا “تسمع” أبدًا فونون ، مما يدل على أن كلا الفونونين يسيران في نفس الاتجاه. هذه الظاهرة تسمى تداخل ثنائي الفونون.

شمل مؤلفو الورقة الجديدة (من اليسار) طالب الدراسات العليا ريس بوفي، طالب الدراسات العليا كريس كونر ، طالب الدراسات العليا جاكوب ميللر ، طالب الدراسات العليا ياش جوشي، طالب الدراسات العليا هونغ كياو (المؤلف الرئيسي للورقة)، طالب الدراسات العليا هاوكسيونج يان، طالب الدراسات العليا Xuntao Wu ، وباحث ما بعد الدكتوراه جوستاف أندرسون. الائتمان: جويل وينترمانتل

يعد إدخال الفونونات في حالة التشابك الكمومي قفزة أكبر بكثير من القيام بذلك مع الفوتونات. الفونونات المستخدمة هنا، على الرغم من كونها غير قابلة للتجزئة، لا تزال تتطلب كوادريليونات من الذرات تعمل معًا بطريقة ميكانيكا الكم. 

وإذا كانت ميكانيكا الكم تحكم الفيزياء في أصغر عالم فقط، فإنها تثير أسئلة حول أين ينتهي هذا العالم وتبدأ الفيزياء الكلاسيكية؛ هذه التجربة تحقق مزيدًا من هذا الانتقال.

قال كليلاند: “يجب أن تتصرف هذه الذرات معًا بشكل متماسك لدعم ما تقول ميكانيكا الكم أنها يجب أن تفعله”. “إنه نوع من المدهش. الجوانب الغريبة لميكانيكا الكم لا تقتصر على الحجم “.

إنشاء حاسوب كمومي ميكانيكي خطي جديد

تكمن قوة أجهزة الكمبيوتر الكمومية في “غرابة” عالم الكم. من خلال تسخير القوى الكمية الغريبة للتراكب والتشابك، يأمل الباحثون في حل المشكلات المستعصية سابقًا. 

تتمثل إحدى طرق القيام بذلك في استخدام الفوتونات، فيما يسمى “الكمبيوتر الكمي البصري الخطي”.

يمكن للحاسوب الكمومي الميكانيكي الخطي – الذي يستخدم الفونونات بدلاً من الفوتونات – أن يكون لديه القدرة على حساب أنواع جديدة من الحسابات. 

قال كليلاند: “نجاح تجربة تداخل الفونونين هو آخر قطعة تظهر أن الفونونات تعادل الفوتونات”. “تؤكد النتيجة أن لدينا التكنولوجيا التي نحتاجها لبناء كمبيوتر كمومي ميكانيكي خطي.”

على عكس الحوسبة الكمومية الضوئية الخطية القائمة على الفوتون، فإن منصة UChicago تدمج الفونونات مع الكيوبتات مباشرة. 

وهذا يعني أن الفونونات يمكن أن تكون أيضًا جزءًا من كمبيوتر كمي هجين يجمع بين أفضل أجهزة الكمبيوتر الكمومية الخطية وقوة أجهزة الكمبيوتر الكمومية القائمة على الكيوبت.

تتمثل الخطوة التالية في إنشاء بوابة منطقية – وهي جزء أساسي من الحوسبة – باستخدام الفونونات ، والتي يجري كليلاند وفريقه البحث عليها حاليًا.

المصدر: scitechdaily

قد يهمك:

ترجمة عربي سويدي

ترجمة هولندي عربي

SEO

أهمية إنشاء موقع إلكتروني

طرق الربح من الانترنت

أنت تستخدم إضافة Adblock

يعتمد موقع انشاء على الاعلانات كمصدر لدعم الموقع، يجب عليك ايقاف تشغيل حاجب الاعلانات لمشاهدة المحتوي