Физика

Ученые получают контроль над самой маленькой единицей звука: Фонон


Физики теперь могут управлять неуловимой звуковой частицей, называемой фононом. Он может использоваться в прототипах квантовых компьютеров для хранения и обработки данных. Использование фононов в квантовых компьютерах может иметь несколько вычислительных преимуществ перед фотонами.

В физике конденсированного состояния фонон - это единица колебательной энергии, которая возникает из атомов, колеблющихся в кристалле. Эти вибрирующие атомы создают тепловую энергию. Чем больше вибрация, тем выше тепловая энергия.

Электроны и фононы являются двумя основными типами возбуждений (или элементарных частиц) в твердых телах. В то время как электроны контролируют электрические свойства, фононы отвечают за такие вещи, как скорость звука в материале и количество тепла, которое материал поглощает для изменения своей температуры.

С точки зрения непрофессионала, фононы являются наименьшими единицами энергии колебаний, которые составляют звуковые волны. Так же, как фотоны - это легкие частицы, фононы можно рассматривать как звуковые частицы. И то, и другое - не материя, а возбуждение «полей».

До недавнего времени физики не могли контролировать эту неуловимую частицу. Отдельные частицы разрушаются, как только они обнаружены. Ученые уже пытались преобразовать фононы в электричество, используя квантовые схемы, известные как сверхпроводящие биты.

Такие квантовые схемы поглощают энергию в определенных количествах. Хотя эти схемы разрушают фонон, обнаруживая его, они обеспечивают считывание энергии присутствия фонона.

Теперь исследователи из Университета Колорадо и Национального института стандартов и технологий настроили энергетические единицы сверхпроводящего кубита так, чтобы фононы не разрушались во время процесса обнаружения.

Они создали уникальный материал для формирования электрического поля в ответ на вибрации. Это помогает фононам ускорить ток в цепи и позволяет исследователям измерять изменение тока, вызванное отдельными фононами.

Чем это полезно?

Как правило, фотоны используются в прототипах квантовых компьютеров для хранения данных. В настоящее время ученые пытаются эффективно использовать квантовые эффекты для достижения исключительной вычислительной мощности.

Использование фононов в квантовых компьютерах может иметь несколько преимуществ по сравнению с фотонами. Тем не менее это потребовало бы контроля звуковых частиц на очень маленьких масштабах.

В этом исследовании исследователи использовали тот факт, что звук распространяется гораздо медленнее, чем свет. Они координировали взаимодействия между фононами цепи, ускоряя ток.

Затем они использовали два акустических зеркала, которые отражают звук, чтобы улавливать фононы определенной длины волны (известные как моды). Поскольку на прохождение сигнала в обоих направлениях между этими зеркалами требовалось относительно много времени, это позволило обеспечить более точную координацию.

Зеркала были размещены всего в нескольких микрометрах друг от друга. Подобные манипуляции с фотонами потребовали бы, чтобы такие зеркала были разделены более чем на 11 метров.

Более того, исследователи смогли обнаружить фононы более чем одного режима. Способность обработки квантового компьютера увеличивается с увеличением числа кубитов. Однако только один кубит с несколькими режимами может дать один и тот же результат.

Еще долгий путь. Чтобы реализовать такие квантовые компьютеры, физики должны придумать методику, которая может поддерживать фонон в течение более длительного времени (в настоящее время они могут удерживать его в течение 600 наносекунд). В целом, результаты могут открыть новые возможности для развития квантовых вычислений.

Источник: Physical Review X | DOI:10.1103/PhysRevX.9.021056 | Scientific American

Читайте Новая Наука в
Back to top button