Kvantové počítače v posledných rokoch na seba strhli množstvo pozornosti. Hoci práve v tejto dobe zažívajú intenzívny rast od komerčného využitia majú stále ďaleko. Posunúť vpred túto technológiu by mohol úplne nový druh kvantového počítača založený na fyzike zvukových vĺn. Na tému upozornili vedci vo svojom príspevku na portáli The Conversation.

Nový typ kvantového počítača

Tak, ako fotóny predstavujú malé nedeliteľne diskrétne kvantové balíčky energie, fonóny predstavujú nedeliteľné kvantové častice zvuku. Tieto častice vznikajú z kolektívneho pohybu kvadriliónov atómov, podobne ako vzniká mexická vlna na štadióne – spôsobujú ju tisícky jednotlivých fanúšikov.

University of Konstanz

Presnejšie je fonón kvázičastica šíriaca vibračné kvantum v kryštálovej mriežke, popisuje sa pomocou nich šírenie zvuku (zvukových vĺn) v kryštáloch. Fonón je preto kvázičásticou zvukového poľa v pevnej látke.

Vedci predpokladajú, že sa správa podobne a dodržiava rovnaké pravidlá kvantovej mechaniky ako fotóny – môže sa nachádzať na dvoch miestach súčasne. Avšak technológia, ktorá by dokázala generovať a detegovať jednotlivé fonóny, je na míle pozadu od tej na generovanie fotónov.

V skutočnosti je táto technológia v štádiu vývoja, pričom vedci ako Andrew Cleland sa zaoberajú problematikou fonónov vrátane ich kvantového zapletenia a „delenia“ (nejde o skutočné rozdelenie častice – je nedeliteľná). To by jedného dňa mohlo viesť k tomu, že dokážeme vybudovať nový typ kvantových počítačov s názvom „mechanické kvantové počítače“.

„Delenie“ nedeliteľnej častice.

Cleland spolu so svojim tímom využíva na skúmanie vlastností fonónov špeciálne akustické zrkadlá, ktorými navádzajú „lúče“ zvuku. V novej štúdii publikovanej v žurnále Science však výskumníci využili „zlé zrkadlá“ známe ako deliče lúčov či zväzkov (beam splitters). Tie dokážu odraziť len polovicu zvuku, ktorý je k nim vysielaný, pričom druhú polovicu jednoducho prepustia.

V rámci štúdie sa vedci rozhodli preskúmať, čo sa stane, ak na takéto rozdeľovače začnú strieľať fonóny. Vzhľadom na to, že fonón je nedeliteľný stalo sa niečo zvláštne, pretože sa dostal do stavu superpozíce, pričom v tomto stave sa zároveň odrážal aj prechádzal cez zrkadlo. Inak povedané, daný fonón sa polovicu času odrážal a polovicu času cez rozdelovač preletel.

Samozrejme v tomto stave superpozície zotrval len do času merania, ktoré spôsobilo kolaps superpozície. Zatiaľ čo tento efekt bol ešte pred desaťročiami pozorovaný pri fotónoch, nový výskum naznačuje, že rovnakú vlastnosť môžu mať aj fonóny.

A.N. Cleland

Preukázaním tejto vlastnosti sa však výskum ani zďaleka nezastavil. Vedci sa totiž začali zaoberať tým, čo by sa stalo, ak by do rozdeľovača lúčov vyslali dva rovnaké fonóny, pričom každý by išiel z iného smeru.

Podobný efekt vykazujú aj fotóny

Tento efekt, teda kombinácia superpozície a interferencie dvoch častíc, je pozorovaná aj pri fotónoch a nazýva sa Hong-Ou-Mandelov efekt.

Hong-Ou-Mandelov efekt sa prejavuje vtedy, keď vyšleme dva identické fotóny do rozdeľovača lúčov odlišnými cestami. V bežnej klasickej optike by sa vyslané fotóny od seba odrážali a prechádzali cez zrkadlo nezávisle. Avšak v kvantovej optike dochádza k fenoménu kvantovej interferencie.

V prípade Hong-Ou-Mandelovho efektu dochádza k tomu, že dva fotóny, ktoré vstupujú do zrkadla, navzájom interferujú. Výsledkom je, že oba fotóny buď vystupujú spoločne z jedného výstupu zrkadla, alebo spoločne z druhého výstupu zrkadla. Tento efekt je pozorovateľný len vtedy, keď sú fotóny identické a ich časovanie je úplne presné.

Z výsledkov výskumu vyplýva, že v budúcnosti by sme vďaka vlastnostiam fonónov mohli postaviť mechanický kvantový počítač. Ten, rovnako ako „bežné“ kvantové počítače, kde sa využíva zapletenie qubitov (napríklad v podobe fotónov), sľubuje exponenciálne zrýchlenie riešenia niektorých problémov.