211service.com
Hoe een fononische computer te bouwen
De wetenschap van hoe licht interageert met materie wordt kwantumelektrodynamica of QED genoemd en de theorie waarop het is gebaseerd, is een van de bekroningen van de 20e-eeuwse natuurkunde.
Tegenwoordig vormt het de kern van een opkomende technologie genaamd circuit-QED, waarin fotonen die op een siliciumchip zijn gevangen, worden gemaakt om te interageren met supergeleidende apparaten, kunstmatige atomen genaamd, die verschillende energieniveaus hebben, net als echte atomen.
Dit is een veelbelovend hulpmiddel voor kwantumberekening. Circuit-QED-apparaten manipuleren kwantuminformatie terwijl deze wordt overgedragen van licht naar materie en vice versa. En het feit dat dit allemaal op één chip gebeurt, zorgt voor ongekende controle.
Maar er is een andere manier om dit soort kwantuminformatieverwerking uit te voeren die net zo veelbelovend kan zijn. In plaats van te vertrouwen op licht, gebruikt dit kwantumpakketjes geluid, fononen genaamd.
Fononen zijn kwantumtrillingen die door het rooster reizen waaruit materialen zijn opgebouwd, ongeveer op dezelfde manier als geluid door de lucht gaat. Meestal zijn het rommelige en onsamenhangende dingen die we zien als warmte en lawaai, dingen die we meestal willen minimaliseren of helemaal willen verwijderen.
Maar de laatste jaren zijn natuurkundigen begonnen met het onderzoeken van manieren om opzettelijk fononen te creëren, ze te vangen en coherent te maken.
Dat heeft hen een aantal interessante ideeën opgeleverd. Omdat trillingen in wezen warmte zijn, heeft dit soort controle geleid tot verschillende innovatieve koelmechanismen op nanoscopische schaal. En aangezien elk kwantumobject ook kwantuminformatie kan dragen, denken verschillende natuurkundigen na over manieren om fononen te gebruiken voor kwantumberekening.
Maar voordat ze dat kunnen doen, hebben ze een manier nodig om de kwantuminformatie die fononen bevatten, te manipuleren. En niemand heeft een goede manier bedacht om dat te doen.
Tegenwoordig zeggen Rusko Ruskov en Charles Tahan van de Universiteit van Maryland echter dat ze weten hoe het moet. Hun idee is het fononische equivalent van circuit-QED. Dus in plaats van een foton in een holte te vangen en het te laten interageren met een kunstmatig atoom, willen deze jongens het doen met fononen: kwantumfonodynamica.
Hun schema is relatief eenvoudig. Ze beginnen met het maken van een siliciummembraan - een eendimensionaal siliciumkristal van ongeveer 200 nanometer dik. Ze ontwikkelen de eigenschappen van dit membraan zodanig dat ze een soort golfgeleider creëren die fononen stuurt.
Ze creëren een fonon door dit membraan te zappen met een laser, die een kwantumpakket van trillingen door het rooster stuurt.
Het equivalent van een atoom gevangen in een optische holte is een enkel atoom van boor of aluminium dat het rooster vervormt. Het is deze vervorming die interageert met het foton.
Natuurkundigen kunnen echter een extern magnetisch veld gebruiken om de vervorming verschillende energieniveaus te laten aannemen. Dit verandert de manier waarop de fonon samenwerkt op een manier die de informatie die het draagt, verwerkt.
Ten slotte passeert de fonon een ander gebied van het siliciumrooster met een bandgap die is ontworpen om de fonon om te zetten in een foton, dat vervolgens kan worden gemeten.
Dat klinkt als een goed plan. Natuurkundigen weten al dat circuit-QED een krachtige manier is om kwantuminformatie te manipuleren. De enige vraag is dus de haalbaarheid van het ontwerp voor kwantumfonodynamica.
De moeilijkheid zal natuurlijk zijn om dit ding te bouwen, wat, zoals Ruskov en Tahan zeggen, een baanbrekende prestatie zal zijn.
Quantum-informatieverwerking is een druk gebied met veel ideeën, plannen en apparaten die strijden om rente en financiering. Phononics heeft het voordeel dat het een opkomend veld is met een brede toepassing in verschillende exotische vormen van computergebruik. We zullen met belangstelling kijken om te zien hoe het afloopt.
Referentie: arxiv.org/abs/1208.1776 : On-Chip Quantum phonodynamica