computación cuántica, fonones
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| Impresión artística de una plataforma para computación cuántica mecánica lineal (LMQC). El elemento transparente central es un divisor de haz de fonones. Las canicas azules y rojas representan fonones individuales, que son los movimientos mecánicos colectivos de cuatrillones de átomos. Estos movimientos mecánicos se pueden visualizar como ondas acústicas superficiales que llegan al divisor de haz desde direcciones opuestas. La interferencia de dos fonones en el divisor de haz es fundamental para LMQC. Los fonones de salida que emergen de la imagen están en un estado de dos fonones, con un fonón "azul" y un fonón "rojo" agrupados. Fuente: Peter Allen |
Cuando escuchamos nuestra canción favorita, lo que suena como una onda continua de música en realidad se transmite como pequeños paquetes de partículas cuánticas llamadas fonones
08 junio 2023.- Las leyes de la mecánica cuántica sostienen que las partículas cuánticas son fundamentalmente indivisibles y, por lo tanto, no se pueden dividir, pero los investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago están explorando qué sucede cuando se intenta dividir un fonón.
En dos experimentos, los primeros de su tipo, un equipo dirigido por el profesor Andrew Cleland utilizó un dispositivo llamado divisor de haz acústico para "dividir" los fonones y demostrar así sus propiedades cuánticas. Al demostrar que el divisor de haz se puede usar tanto para inducir un estado de superposición cuántica especial para un fonón como para crear una mayor interferencia entre dos fonones, el equipo de investigación dio los primeros pasos críticos hacia la creación de un nuevo tipo de computadora cuántica.
Los resultados se publican en la revista Science y se basan en años de trabajo innovador sobre fonones realizado por el equipo de Pritzker Molecular Engineering.
"Dividir" un fonón en una superposición
En los experimentos, los investigadores utilizaron fonones que tienen un tono aproximadamente un millón de veces más alto que el que puede escuchar el oído humano. Anteriormente, Cleland y su equipo descubrieron cómo crear y detectar fonones individuales y fueron los primeros en entrelazar dos fonones.
Para demostrar las capacidades cuánticas de estos fonones, el equipo, incluido el estudiante graduado de Cleland, Hong Qiao, creó un divisor de haz que puede dividir un haz de sonido por la mitad, transmitiendo la mitad y reflejando la otra mitad hacia su fuente (ya existen divisores de haz para la luz y tienen utilizado para demostrar las capacidades cuánticas de los fotones). Todo el sistema, incluidos dos qubits para generar y detectar fonones, funciona a temperaturas extremadamente bajas y utiliza fonones de ondas acústicas superficiales individuales, que viajan sobre la superficie de un material, en este caso, niobato de litio.
Sin embargo, la física cuántica dice que un solo fonón es indivisible. Entonces, cuando el equipo envió un solo fonón al divisor de haz, en lugar de dividirse, entró en una superposición cuántica, un estado en el que el fonón se refleja y transmite al mismo tiempo. Observar (medir) el fonón hace que este estado cuántico colapse en una de las dos salidas.
El equipo encontró una forma de mantener ese estado de superposición al capturar el fonón en dos qubits. Un qubit es la unidad básica de información en la computación cuántica. En realidad, solo un qubit captura el fonón, pero los investigadores no pueden saber qué qubit hasta después de la medición. En otras palabras, la superposición cuántica se transfiere del fonón a los dos qubits. Los investigadores midieron esta superposición de dos qubits, lo que produjo "una prueba estándar de oro de que el divisor de haz está creando un estado entrelazado cuántico", dijo Cleland.
Mostrando que los fonones se comportan como fotones
En el segundo experimento, el equipo quería mostrar un efecto cuántico fundamental adicional que se había demostrado por primera vez con fotones en la década de 1980. Ahora conocido como el efecto Hong-Ou-Mandel, cuando dos fotones idénticos se envían desde direcciones opuestas a un divisor de haz al mismo tiempo, las salidas superpuestas interfieren para que ambos fotones siempre viajen juntos, en una u otra dirección de salida.
Es importante destacar que sucedió lo mismo cuando el equipo realizó el experimento con fonones: la salida superpuesta significa que solo uno de los dos qubits detectores captura fonones, yendo en un sentido pero no en el otro. Aunque los qubits solo tienen la capacidad de capturar un solo fonón a la vez, no dos, el qubit colocado en la dirección opuesta nunca "escucha" un fonón, lo que demuestra que ambos fonones van en la misma dirección. Este fenómeno se denomina interferencia de dos fonones.
Lograr que los fonones entren en este estado cuántico entrelazado es un salto mucho mayor que hacerlo con fotones (haces de luz). Los fonones utilizados aquí, aunque indivisibles, aún requieren billones de átomos trabajando juntos en una forma de mecánica cuántica. Y si la mecánica cuántica gobierna la física solo en el reino más pequeño, plantea preguntas sobre dónde termina ese reino y comienza la física clásica; este experimento prueba aún más esa transición.
Creando una nueva computadora cuántica mecánica lineal
El poder de las computadoras cuánticas radica en la "rareza" del reino cuántico. Al aprovechar los extraños poderes cuánticos de superposición y entrelazamiento, los investigadores esperan resolver problemas previamente intratables. Un enfoque para hacer esto es usar fotones, en lo que se llama una "computadora cuántica óptica lineal".
Una computadora cuántica mecánica lineal, que usaría fonones en lugar de fotones, podría tener la capacidad de realizar nuevos tipos de cálculos. "El éxito del experimento de interferencia de dos fonones es la pieza final que muestra que los fonones son equivalentes a los fotones", dijo Cleland. "El resultado confirma que tenemos la tecnología que necesitamos para construir una computadora cuántica mecánica lineal".
A diferencia de la computación cuántica óptica lineal basada en fotones, la plataforma de la Universidad de Chicago integra directamente fonones con qubits. Eso significa que los fonones podrían ser parte de una computadora cuántica híbrida que combine lo mejor de las computadoras cuánticas lineales con el poder de las computadoras cuánticas basadas en qubits.
El siguiente paso es crear una puerta lógica, una parte esencial de la informática, usando fonones, en la que Cleland y su equipo están investigando actualmente.
Más información: H. Qiao et al, Splitting phonons: Building a platform for linear mechanical quantum computing, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adg8715. www.science.org/doi/10.1126/science.adg8715
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