Ketika kita mendengarkan lagu favorit kita, apa yang terdengar seperti gelombang musik yang terus menerus sebenarnya bergerak sebagai paket kecil partikel kuantum yang disebut fonon.

Hukum mekanika kuantum menyatakan bahwa partikel kuantum pada dasarnya tidak dapat dibagi dan dengan demikian tidak dapat dibagi, tetapi para peneliti di Sekolah Teknik Molekuler Pritzker (PME) Universitas Chicago sedang mengeksplorasi apa yang terjadi ketika Anda mencoba membelah fonon.

Dalam dua percobaan – yang pertama dari jenisnya – tim yang dipimpin oleh Profesor Andrew Cleland menggunakan perangkat yang disebut pembagi berkas akustik untuk ‘membelah’ fonon dan kemudian menunjukkan kepada mereka sifat kuantumnya. Dengan menunjukkan bahwa pemancar sinar dapat digunakan untuk menginduksi keadaan superposisi kuantum khusus untuk satu fonon, serta menciptakan interferensi antara dua fonon, tim peneliti telah mengambil langkah penting pertama untuk menciptakan jenis baru komputer kuantum.

Hasilnya dipublikasikan di jurnal Ilmu Dan itu dibangun di atas pekerjaan terobosan selama bertahun-tahun pada fonon oleh tim di Pritzker Molecular Engineering.

“membagi” fonon menjadi superposisi

Dalam percobaan, para peneliti menggunakan fonon dengan nada kira-kira satu juta kali lebih keras daripada yang bisa didengar oleh telinga manusia. Sebelumnya, Cleland dan timnya menemukan cara membuat dan mendeteksi fonon individu dan menjadi yang pertama menghubungkan dua fonon.

Untuk membuktikan kemampuan kuantum fonon ini, tim — termasuk mahasiswa pascasarjana Cleland Hong Qiao — menciptakan perangkat untuk membagi berkas suara menjadi dua, mentransmisikan setengah lainnya dan memantulkan setengah lainnya kembali ke sumbernya (pembagi sinar sudah ada untuk cahaya). dan harus menunjukkan kemampuan kuantum foton). Seluruh sistem, termasuk dua qubit untuk menghasilkan dan mendeteksi fonon, beroperasi pada suhu yang sangat rendah dan menggunakan fonon gelombang akustik permukaan individu, yang berjalan di permukaan material, dalam hal ini lithium niobates.

Namun, fisika kuantum mengatakan bahwa satu fonon tidak dapat dibagi. Jadi, ketika tim mengirim satu fonon ke pemancar sinar, alih-alih membelah, itu memasuki keadaan superposisi kuantum, keadaan di mana fonon dipantulkan dan ditransmisikan pada waktu yang sama. Mengamati (mengukur) fonon menyebabkan keadaan kuantum ini runtuh menjadi salah satu dari dua pintu keluar.

Tim menemukan cara untuk mempertahankan status superposisi ini dengan menangkap fonon dalam dua qubit. Qubit adalah unit dasar informasi dalam komputasi kuantum. Hanya satu qubit yang menangkap fonon, tetapi para peneliti tidak dapat mengetahui qubit yang mana bahkan setelah pengukuran. Dengan kata lain, superposisi kuantum ditransfer dari fonon ke dua qubit. Para peneliti mengukur superposisi dua qubit ini, menghasilkan “bukti standar emas bahwa pemecah berkas menciptakan keadaan terjerat kuantum,” kata Cleland.

Tampilkan fonon berperilaku seperti foton

Dalam eksperimen kedua, tim ingin mendemonstrasikan efek kuantum fundamental tambahan yang pertama kali didemonstrasikan menggunakan foton pada 1980-an. Sekarang dikenal sebagai efek Hong-Ou-Mandel, ketika dua foton identik dari arah yang berlawanan dikirim ke pembagi berkas pada saat yang sama, output yang ditumpangkan sedemikian rupa sehingga kedua foton selalu ditemukan berjalan bersama, di salah satu dari arah keluaran.

Lebih penting lagi, hal yang sama terjadi ketika tim menjalankan percobaan dengan fonon — keluaran yang dilapiskan berarti bahwa hanya satu dari dua qubit detektor yang mengambil fonon, menuju ke satu arah tetapi tidak ke arah yang lain. Meskipun qubit hanya memiliki kemampuan untuk mengambil satu phonon pada satu waktu, bukan dua, qubit yang ditempatkan di arah yang berlawanan tidak pernah “mendengar” phonon, yang menunjukkan bahwa kedua phonon bergerak ke arah yang sama. Fenomena ini disebut interferensi dua fonon.

Memasukkan fonon ke dalam keterikatan kuantum adalah lompatan yang jauh lebih besar daripada melakukannya dengan foton. Fonon yang digunakan di sini, meskipun tidak dapat dibagi, masih memerlukan seperseperempat triliun atom yang bekerja sama seperti mekanika kuantum. Dan jika mekanika kuantum mengatur fisika hanya di dunia terkecil, itu menimbulkan pertanyaan tentang di mana dunia ini berakhir dan fisika klasik dimulai; Eksperimen ini membuat transisi ini lebih jauh.

“Atom-atom ini harus berperilaku bersama secara koheren untuk mendukung apa yang menurut mekanika kuantum harus mereka lakukan,” kata Cleland. “Luar biasa. Aspek aneh mekanika kuantum bukan hanya tentang ukuran.”

Penciptaan komputer mekanika kuantum linier baru

Kekuatan komputer kuantum terletak pada “keanehan” alam kuantum. Dengan memanfaatkan kekuatan kuantum superposisi dan keterikatan yang aneh, para peneliti berharap dapat memecahkan masalah yang sebelumnya sulit diselesaikan. Salah satu cara untuk melakukannya adalah dengan menggunakan foton, yang disebut “komputer kuantum optik linier”.

Komputer kuantum mekanis linier — yang menggunakan fonon alih-alih foton — dapat memiliki potensi untuk menghitung jenis komputasi baru. “Kesuksesan eksperimen interferensi fonon adalah bagian terbaru yang menunjukkan bahwa fonon setara dengan foton,” kata Cleland. “Hasilnya menegaskan bahwa kita memiliki teknologi yang kita butuhkan untuk membangun komputer mekanika kuantum linier.”

Tidak seperti komputasi kuantum optik linier berbasis foton, platform Universitas Chicago secara langsung mengintegrasikan fonon dengan qubit. Ini berarti fonon juga dapat menjadi bagian dari komputer kuantum hibrida yang menggabungkan komputer kuantum linier terbaik dengan kekuatan komputer kuantum berbasis qubit.

Langkah selanjutnya adalah membuat gerbang logika — bagian penting dari komputasi — menggunakan fonon, yang sedang diteliti oleh Cleland dan timnya.

Penulis lain di atas kertas adalah É. Dumore, J. Anderson, H. Yan, M.-H. Zhou, J. Greibel, CR Conner, YJ Joshi, JM Miller, RJ Buffay, and X Wu.