Kā izveidot fononisku datoru

Zinātni par to, kā gaisma mijiedarbojas ar matēriju, sauc par kvantu elektrodinamiku jeb QED, un teorija, uz kuras tā balstās, ir viens no 20. gadsimta fizikas sasniegumiem.

Mūsdienās tas ir jaunās tehnoloģijas, ko sauc par circuit-QED, centrā, kurā silīcija mikroshēmā iesprostotie fotoni tiek radīti, lai mijiedarbotos ar supravadošām ierīcēm, ko sauc par mākslīgajiem atomiem, kurām ir dažādi enerģijas līmeņi, tāpat kā reāliem atomiem.

Šis ir daudzsološs rīks kvantu aprēķināšanai. Circuit-QED ierīces manipulē ar kvantu informāciju, kad tā tiek pārsūtīta no gaismas uz vielu un otrādi. Un fakts, ka tas viss notiek vienā mikroshēmā, ļauj veikt vēl nebijušu kontroli.

Bet ir vēl viens veids, kā veikt šāda veida kvantu informācijas apstrādi, kas varētu būt tikpat daudzsološs. Tā vietā, lai paļautos uz gaismu, tiek izmantotas skaņas kvantu paketes, ko sauc par fononiem.

Fononi ir kvantu vibrācijas, kas pārvietojas pa režģi, kas veido materiālus, līdzīgi kā skaņa iet caur gaisu. Parasti tās ir netīras un nesakarīgas lietas, kuras mēs uztveram kā siltumu un troksni, lietas, kuras mēs parasti vēlamies samazināt vai pilnībā noņemt.

Taču pēdējos gados fiziķi ir sākuši pētīt veidus, kā apzināti izveidot fononus, notvert tos un padarīt tos saskaņotus.

Tas viņiem ir devis vairākas interesantas idejas. Tā kā vibrācija būtībā ir siltums, šāda veida kontrole ir radījusi dažādus inovatīvus dzesēšanas mehānismus nanoskopiskā mērogā. Un tā kā jebkurš kvantu objekts var pārvadāt arī kvantu informāciju, dažādi fiziķi domā par veidiem, kā izmantot fononus kvantu aprēķināšanai.

Bet pirms viņi to var izdarīt, viņiem ir nepieciešams veids, kā manipulēt ar kvantu informāciju, ko nes fononi. Un neviens nav izstrādājis labu veidu, kā to izdarīt.

Tomēr šodien Rusko Ruskovs un Čārlzs Tahans no Merilendas universitātes saka, ka zina, kā to izdarīt. Viņu ideja ir ķēdes QED fononisks ekvivalents. Tā vietā, lai notvertu fotonu dobumā un liktu tam mijiedarboties ar mākslīgo atomu, šie puiši vēlas to darīt ar fononiem: kvantu fonodinamika.

Viņu shēma ir samērā vienkārša. Tie sākas, izveidojot silīcija membrānu - viendimensiju silīcija kristālu, kura biezums ir aptuveni 200 nanometri. Viņi izstrādā šīs membrānas īpašības, lai izveidotu sava veida viļņvadu, kas virza fononus.

Viņi izveido fononu, saspiežot šo membrānu ar lāzeru, kas caur režģi nosūta vibrācijas kvantu paketi.

Optiskajā dobumā iesprostota atoma ekvivalents ir viens bora vai alumīnija atoms, kas deformē režģi. Tieši šis kropļojums mijiedarbojas ar fotonu.

Tomēr fiziķi var izmantot ārēju magnētisko lauku, lai kropļojumam būtu vairāki dažādi enerģijas līmeņi. Tas maina veidu, kā fonons mijiedarbojas, apstrādājot informāciju, ko tas nes.

Visbeidzot, fonons nonāk citā silīcija režģa reģionā ar joslas spraugu, kas ir izstrādāta, lai pārvērstu fononu par fotonu, ko pēc tam var izmērīt.

Tas izklausās pēc laba plāna. Fiziķi jau zina, ka circuit-QED ir spēcīgs veids, kā manipulēt ar kvantu informāciju. Tātad vienīgais jautājums ir par kvantu fonodinamikas dizaina iespējamību.

Grūtības, protams, būs šīs lietas uzbūvēšana, kas, kā saka Ruskovs un Tahans, būs ievērojams sasniegums.

Kvantu informācijas apstrāde ir pārpildīta zona ar daudzām idejām, plāniem un ierīcēm, kas sacenšas par interesi un finansējumu. Fonikas priekšrocība ir tā, ka tā ir jauna joma ar plašu pielietojumu dažādos eksotiskos skaitļošanas veidos. Mēs ar interesi vērosim, kā tas izdosies.

Atsauce: arxiv.org/abs/1208.1776 : On-Chip kvantu fonodinamika

paslēpties