Säteenjakaja fononeille

Useimmissa optiikkalaboratorioissa on vähintään yksi säteenjakaja - laite, joka jakaa fotonivirran kahteen osaan. Mutta tällaiset "kvanttihaarukat" puuttuvat laboratorioista, jotka tutkivat fononeja, äänen kvantisoituja hiukkasia.

Nyt Andrew Cleland ja hänen kollegansa Chicagon yliopistosta ovat täyttäneet tämän aukon osoittamalla fononisäteen jakajan. Laite voisi toimia tulevaisuudessa kvanttilaskennan rakenteissa, jotka tekevät laskelmat fononeilla.

Esimerkiksi fotonisäteen jakaja tarjoaa kaksi eri reittiä fotoneille, joita voidaan käyttää luomaan interferenssiä yksittäisten fotonien välille tai synnyttämään lomittumista useiden fotonien välille.

Saman jakamisen pitäisi olla mahdollista kaikille kvanttiobjekteille, jopa fononeille, jotka koostuvat monista yhdessä värähtelevistä atomeista. "Tieteellinen peruskysymys on, käyttäytyvätkö fononit - jotka edustavat biljoonien atomin liikettä – toimivat kuin kvanttimekaniikka määrää.

Tutkijat osoittivat fononisäteen jakautumista käyttämällä pinta-akustisia aaltoja (SAW). He aloittivat 2 mm:n pituisella litiumniobaatista tehdyllä kanavalla, jonka yli fononit saattoivat kulkea kumpaankin suuntaan. Kanavan sekä vasempaan että oikeaan päähän he asensivat suprajohtavat kubitit. Jokainen kubitti liitettiin muuntimeen - yhdistelmään, joka suorittaa sekä yhden fononin emission että havaitsemisen.

Kanavan keskelle tutkijat asettivat säteenjakajansa, kampamaisen rakenteen, joka koostui 16 ohuesta metallitangosta tai "sormista". Jokainen sormi heijastaa noin 3 % tulevasta akustisesta energiasta. Kun nämä heijastukset ovat samassa vaiheessa, tämä rakenne toimii koherenttina peilinä, joka heijastaa 16 × 3 % eli noin puolet energiasta.

Testeissään tutkijat havaitsivat, että vuorovaikutuksessa säteenjakajan kanssa fononilla oli noin 50/50 mahdollisuus heijastua vasempaan kubittiin tai siirtyä oikean puoleiseen. Kvanttimekaniikan sääntöjen mukaan nämä kaksi mahdollisuutta ovat olemassa kahden tilan - vasemmalle liikkuvan fononin ja oikealle liikkuvan fononin - superpositiossa, jotka jatkuvat, kunnes mittaus suoritetaan.

Ryhmä suoritti myös klassisen interferenssitestin, jossa molemmat kubitit lähettivät samanaikaisesti fononeja. Tässä skenaariossa molempien fononien tulisi poistua säteenjakajasta samaan suuntaan – joko molemmat vasemmalle tai molemmat oikealle. Mittausdata vahvisti, että tällaista kahden fononin interferenssiä tapahtui.

Tulokset osoittavat, että fononit toimivat "yhtä kvanttisesti" kuin fotonit", toteaa tutkijakumppani Michael Tobar.

Cleland sanoo, että säteenjakajaa voitaisiin käyttää logiikkaportissa, jossa jaetut fononit toimisivat itse kubitteina. Muut tutkijat ovat rakentaneet vastaavia laitteita fotoneilla ja motiivina on ollut luoda optinen kvanttitietokone.

Vaikka täysin fononipohjaista kvanttitietokonetta ei suunnitella lähiaikoina, fononien helppous vuorovaikutuksessa suprajohtavien kubittien kanssa viittaa siihen, että fononeilla voisi olla rooli tulevaisuuden hybridikvanttitietokoneessa, Cleland sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Uusi rakennuspalikka kvanttiteknologialle

Mekaanista kvanttitekniikkaa