Hur man bygger en Phononic dator

Vetenskapen om hur ljus interagerar med materia kallas kvantelektrodynamik eller QED och teorin som den bygger på är en av kronan på 1900-talets fysik.

Idag ligger det i hjärtat av en framväxande teknologi som kallas krets-QED, där fotoner fångade på ett kiselchip görs för att interagera med supraledande enheter som kallas artificiella atomer, som har olika energinivåer precis som verkliga atomer.

Detta är ett lovande verktyg för kvantberäkning. Circuit-QED-enheter manipulerar kvantinformation när den överförs från ljus till materia och vice versa. Och det faktum att allt detta sker på ett enda chip tillåter oöverträffad kontroll.

Men det finns ett annat sätt att göra den här typen av kvantinformationsbehandling som kan vara lika lovande. Istället för att förlita sig på ljus, använder detta kvantpaket av ljud som kallas fononer.

Fononer är kvantvibrationer som färdas genom gallret som utgör material, ungefär på samma sätt som ljud passerar genom luften. Vanligtvis är det rörigt och osammanhängande saker som vi ser som värme och buller, saker som vi vanligtvis vill minimera eller ta bort helt.

Men på senare år har fysiker börjat undersöka sätt att skapa fononer avsiktligt, för att fånga dem och göra dem sammanhängande.

Det har gett dem ett antal intressanta idéer. Eftersom vibrationer i huvudsak är värme har denna typ av kontroll lett till olika innovativa kylmekanismer på nanoskopisk skala. Och eftersom alla kvantobjekt också kan bära kvantinformation, funderar olika fysiker på sätt att använda fononer för kvantberäkning.

Men innan de kan göra det behöver de ett sätt att manipulera kvantinformationen som fononer bär. Och ingen har utarbetat ett bra sätt att göra det.

Idag säger dock Rusko Ruskov och Charles Tahan vid University of Maryland att de vet hur man gör. Deras idé är den fononiska motsvarigheten till krets-QED. Så istället för att fånga en foton i en kavitet och få den att interagera med en artificiell atom, vill de här killarna göra det med fononer: kvantfonodynamik.

Deras upplägg är relativt okomplicerat. De börjar med att skapa ett kiselmembran - en endimensionell kiselkristall som är cirka 200 nanometer tjock. De konstruerar egenskaper hos detta membran så att de skapar en sorts vågledare som styr fononer.

De skapar en fonon genom att zappa detta membran med en laser, som skickar ett kvantpaket av vibrationer genom gallret.

Motsvarigheten till en atom instängd i en optisk kavitet är en enkel atom av bor eller aluminium som förvränger gittret. Det är denna distorsion som interagerar med fotonen.

Men fysiker kan använda ett externt magnetfält för att få distorsionen att ta flera olika energinivåer. Detta förändrar hur fononen interagerar på ett sätt som bearbetar informationen den bär.

Slutligen passerar fononen in i en annan region av kiselgittret med ett bandgap som har konstruerats för att omvandla fononen till en foton, som sedan kan mätas.

Det låter som en bra plan. Fysiker vet redan att krets-QED är ett kraftfullt sätt att manipulera kvantinformation. Så den enda frågan är om genomförbarheten av designen för kvantfonodynamik.

Svårigheten kommer naturligtvis att vara att bygga den här saken, som som Ruskov och Tahan säger kommer att bli en framgång.

Kvantinformationsbehandling är ett trångt område med många idéer, planer och enheter som konkurrerar om intresse och finansiering. Phononics har fördelen av att vara ett framväxande område med bred tillämpning inom olika exotiska former av datoranvändning. Vi kommer att titta med intresse för att se hur det går.

Ref: arxiv.org/abs/1208.1776 : On-Chip Quantum fonodynamics

Dölj