音の分割がどのようにして新しい種類の量子コンピュータにつながるのか

部屋を明るくするためにランプを付けると、光エネルギーが光子として送信されます。光子は、エネルギーの小さな離散量子パケットです。 これらの光子は、量子力学の時々奇妙な法則に従わなければなりません。この法則では、たとえば、光子は分割できないが、同時に光子が同時に 2 つの場所に存在することが可能になります。

光のビームを構成するフォトンと同様に、フォノンと呼ばれる分割できない量子粒子が音のビームを構成します。 これらの粒子は、スポーツアリーナの「スタジアムの波」が何千人もの個々のファンの動きによるものであるのと同じように、何千もの原子の集合的な動きから発生します。 曲を聴くと、非常に小さな量子粒子の流れが聞こえます。

もともと固体の熱容量を説明するために考えられたフォノンは、光子と同じ量子力学の規則に従うと予測されています。 しかし、個々のフォノンを生成および検出する技術は、光子の技術に比べて遅れています。

その技術は、シカゴ大学プリツカー分子工学大学院の私の研究グループの協力を得て、現在開発されているところです。 私たちはフォノンを半分に分割し、それらを絡み合わせることで、音の基本的な量子特性を研究しています。

私のグループのフォノンに関する基礎研究により、いつか研究者が機械式量子コンピューターと呼ばれる新しいタイプの量子コンピューターを構築できるようになるかもしれません。

フォノンの量子特性を調査するために、私たちのチームは音のビームを方向付けることができる音響ミラーを使用します。 しかし、サイエンス誌の最新号に掲載された私たちの最新の実験には、ビームスプリッターと呼ばれる「悪い」鏡が含まれており、そこに送られる音の約半分を反射し、残りの半分を通過させます。 私たちのチームは、フォノンをビームスプリッターに向けると何が起こるかを調査することにしました。

フォノンは分割できないので、 分割することはできません。 その代わりに、ビームスプリッターと相互作用した後、フォノンはいわゆる「重ね合わせ状態」になります。 この状態では、やや逆説的ですが、フォノンは反射と透過の両方を行い、どちらの状態でもフォノンを検出できる可能性は等しくなります。 あなたが介入してフォノンを検出すると、半分の時間はフォノンが反射されたと測定され、残りの半分の時間はフォノンが送信されたと測定されます。 ある意味、状態は検出器によってランダムに選択されます。 検出プロセスがなければ、フォノンは透過と反射の両方が重なった状態のままになります。

この重ね合わせ効果は何年も前に光子で観察されました。 私たちの結果は、フォノンが同じ性質を持っていることを示しています。

フォノンも光子と同じように量子重ね合わせができることを実証した後、私のチームはより複雑な質問をしました。 私たちは、2 つの同一のフォノンを各方向から 1 つずつビーム スプリッターに送り込んだ場合に何が起こるかを知りたかったのです。

各フォノンは、半分透過、半分反射という同様の重ね合わせ状態になることがわかります。 しかし、ビームスプリッターの物理的性質により、フォノンのタイミングを正確に合わせると、フォノンは量子力学的に互いに干渉します。 実際に現れるのは、一方方向に進む 2 つのフォノンと他方に進む 2 つのフォノンの重ね合わせ状態です。したがって、2 つのフォノンは量子力学的にもつれています。

量子もつれでは、各フォノンは反射と透過の重ね合わせになりますが、2 つのフォノンは一緒にロックされます。 これは、1 つのフォノンが透過または反射されたことを検出すると、他のフォノンも同じ状態になることを意味します。

したがって、検出すると、常に 2 つのフォノンがどちらかの方向に進むことを検出することになり、1 つのフォノンが双方向に進むことはありません。 光に対するこれと同じ効果、つまり 2 つの光子の重ね合わせと干渉の組み合わせは、1987 年にそれを初めて予測し観測した 3 人の物理学者にちなんでホン・オウ・マンデル効果と呼ばれています。今回、私のグループはこの効果を音で実証しました。

これらの結果は、フォノンを使用して機械式量子コンピューターを構築できる可能性があることを示唆しています。 単一光子の放出、検出、干渉だけを必要とする光量子コンピューターを構築する取り組みが続けられています。 これらは電気量子コンピュータを構築する取り組みと並行して進められており、電気量子コンピュータは、多数のもつれ粒子の使用により、大きな数の因数分解や量子システムのシミュレーションなど、特定の問題の指数関数的な高速化を約束します。