利用超声速振动来运作的全新式样的量子电脑

发布时间：2023-08-18 11:01:48 所属栏目：动态来源：互联网

导读： 　　当我们点亮灯光并让光线充满房屋的时候，我们所经历的是光子——这种小小的离散能量的包裹体被成功传达了出来。这些光子必须遵守量子力学的有些奇特的法则，例如，光子是不可

　　当我们点亮灯光并让光线充满房屋的时候，我们所经历的是光子——这种小小的离散能量的包裹体被成功传达了出来。这些光子必须遵守量子力学的有些奇特的法则，例如，光子是不可分割的，但同时，光子可以同时出现在两个地方。

　　与构成光束的光子类似，不可分割的量子粒子称为声子，构成了声波。这些粒子源于数千亿个原子的集体运动，就像体育场中的“体育场波”是由数千个观众的运动造成的。当你听一首歌时，你听到的是这些非常小的量子粒子的流。

　　声子最初是为了解释固体的热容量而提出的，预计声子将遵循与光子相同的量子力学规则。然而，生成和检测单个声子的技术却落后于光子的技术。

　　这项技术现在才开始发展，部分原因是由我在芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究小组进行的。我们正在通过将声子分裂并将它们纠缠在一起来探索声的基本量子性质。

　　我们小组对量子的基础研究可能有朝一日会让研究人员建立一种新型的量子计算机，称为机械量子计算机。

　　为了探索声子的量子性质，我们的团队使用声学镜子，可以引导声波。然而，我们最近在《科学》杂志上发表的最新实验涉及到“不好的”镜子，称为分束器，它们反射大约一半的声音，并让另一半通过。

　　我们的团队决定探索当我们将一个声子引向一个分束器时会发生什么。由于身子是不可分割的，它不能被分裂。相反，在与分束器交互后，声子最终处于所谓的“叠加态”。在这种状态下，声子有些矛盾地既被反射又被传输，你有同样的可能性在任何状态下检测到声子。

　　如果你介入并检测声子，一半的时间你会测量到它被反射，一半的时间它被传输；在某种意义上，状态是由探测器随机选择的。在没有检测过程的情况下，声子将保持在被传输和反射的叠加状态。

　　这种叠加效应在多年前就已经用光子观察到了。我们的结果表明，声子具有相同的性质。

　　在证明声子可以像光子一样进入量子叠加态之后，我的团队提出了一个更复杂的问题。我们想知道如果我们从每个方向向分器发送两个相同的声子会发生什么。

　　声子的分束器-声子进入叠加状态，在那里它被反射和传输。

　　结果显示，每个声子都会进入一个类似的叠加状态，一半被传输，一半被反射。但是，由于分束器的物理性质，如果我们精确地计时声子，它们将量子力学地相互干涉。

　　实际上，产生的是第一次两个声子一起走和随后两个相同声子另一种走的交替叠加态——这两个相同的声子因此在物理量子力学上被纠缠在一起。

　　在量子纠缠中，每个声子都处于反射和传输的叠加态，但两个声子被锁在一起。这意味着检测到一个声子被传输或反射会迫使另一个声子处于相同的状态。

　　所以，如果你检测，你总是会检测到两个声子，要么一起走，要么另一种走，从来不会有一个声子走每种方式。这种对光的效应，两个光子的叠加和干涉的组合，被称为洪-欧-曼德尔效应，是在1987年由首次预测和观察到它的三位物理学家命名的。现在，我的团队已经用声音证明了这种效应。

　　这些结果表明，现在可能已经可以使用声子来构建机械量子计算机了。

　　正在进行的努力是建立只需要发射、检测和干涉单个光子的光学量子计算机。这些努力与建立电子量子计算机的努力并行，通过使用大量的纠缠粒子，这些计算机对于某些问题（如分解大数或模拟量子系统）承诺实现指数级的加速。

　　使用声子的量子计算机可以非常紧凑和自包含，完全建在类似于笔记本电脑处理器的芯片上。如果研究人员能够进一步扩大和改进基于声子的技术，其小尺寸可能使其更容易实施和使用。

　　我们小组对声子的实验使用了量子比特——这是电子量子计算机的动力技术——这意味着随着声子技术的赶超，有可能将基于声子的计算机与电子量子计算机集成在一起。这样做可能会产生新的、可能是独特的计算能力。这些计算能力可以帮助科学家解决许多问题，包括生命起源、人工智能、量子通讯等。”他说。

（编辑：宁德站长网）

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