説明音の粒子であるフォノンも両者ですか？

水面での昆虫の動きは、互いに干渉する2つの波紋を作り、2019年5月29日にニューメキシコ州11-12で地域に見られる干渉パターンを作成します。 | 写真クレジット: Mike Lewinski/Unsplash

今日、コンピューティングエリアの2つの大きなニュース項目の1つは量子コンピュータ（もう1つは人工知能）です。 最近のIBM 論文を発表した 量子コンピュータが問題を解決できることを証明したと主張した。 役に立つ 今日の既存のコンピュータができない問題、計算が複雑になると、計算が信頼できなくなる可能性があるという懸念から得られた結果です。

キュービットとは？

量子コンピュータはキュービットを基本情報単位として使用する。 キュビットは電子のような粒子であり得る。 粒子のコレクションあるいは、粒子のように振る舞うように設計された量子システム。 粒子は古典的なコンピュータの半導体のような大きなオブジェクトができない奇妙なことをするかもしれません。 なぜなら、粒子は量子物理学の規則に従うからです。 これらの規則により、各キュービットは、たとえば、同時に「オン」と「オフ」の値を持つことができます。

量子コンピューティングの前提は、情報が電子のスピンなどの粒子のいくつかの属性で「エンコード」され、次にこれらの固有の能力を使用して処理できることです。 その結果、量子コンピュータは今日最高のスーパーコンピュータに到達できない複雑な計算を実行すると予想されます。

異なる形式の量子コンピューティングは異なる情報単位を使用する。 たとえば、線形光学量子コンピューティング（LOQC）は、光の粒子である光子をキュービティとして使用します。 異なる情報を電子にエンコードし、電子が異なる方法で相互作用するようにすることで異なる情報を組み合わせて処理できるように、LOQCはミラー、レンズ、スプリッタ、波長板などの光学機器を光子と共に使用します。情報を処理できます。 。

実際、量子力学現象を使用して制御および操作できるすべての粒子は、理論的には量子コンピュータ上の情報単位として利用可能でなければなりません。

フォノンとは何ですか？

これが物理学者が音子も使えるかどうか疑問に思う理由です。 光子は光エネルギーのパケットです。 同様に、フォノンは振動エネルギーの束である。 だから、質問は、情報単位が口語で言えば音である量子コンピュータを作ることができますか？

ある論文によると に公開 科学 今月は可能でなければなりません。

問題は研究者が電流、磁場などを利用して電子を操作でき、ミラー、レンズなどで光子を操作できるという点だが、フォノンは何で操作できるのか？ この目的のために、新しい研究でシカゴ大学の研究者たちは音響ビームスプリッタを開発したと報告しました。

ビームスプリッタとは何ですか？

ビームスプリッタは光学研究に広く使用されている。 直線に沿って光を照らす松明を想像してみてください。 これは基本的に光子の流れです。 ビームスプリッタが光の経路に配置されると、ビームを２つに分割する。 つまり、光子の50％が片側に反射し、残りの50％が直線で通過します。

簡単に見えるが、ビームスプリッタの動作は実際に量子物理学に依存する。 百万の光子を照らすと、それぞれ500,000の光子に対応する2つの光線が生成されます。 その後、これら2つのビームを反射して互いに交差して干渉パターンを作成できます（Youngのデュアルスリット実験を参照）。 しかし、ビームスプリッタに光子を一つずつ照らしても干渉縞が現れるという事実を研究者たちが発見した。 光子は何を妨げますか？ 正解は 彼ら自身。

これは、a）粒子も波のように振る舞うことができ、b）観測が行われるまで、量子システムはすべての可能な状態の重複状態で存在するためです（キュービットは部分的には「オン」、部分的には「オフ」です。と同じです）時間）。 したがって、単一の波がビームスプリッタと相互作用すると、2つの可能な結果（反射と透過）の重なりに入ります。 これらの状態が再結合すると 干渉パターン 現れる。

新しい研究は何をしましたか？

新しい研究では、研究者たちは16個の金属棒が飛び出した櫛状の小さな装置である音響ビームスプリッタを開発しました。 それは長さ2mmのニオブ酸リチウムチャネルの中央に置かれた。 チャネルの各端には、個々のフォノンを放射して検出できる超伝導キュービット（回路コンポーネントが超伝導であるキュービット）があります。 全体の設定は超低温に保たれた。

このフォノンが音に変換されると、周波数が高すぎて人間が聞こえなくなります。 論文によると、研究の各フォノンは、約1,000兆個の原子の「集合的な」振動を示しています。

チームは、光子が光ビームスプリッタと相互作用するように、これらのフォノンが櫛と相互作用することを発見した。 フォノンがチャネルの左側から放出されると、半分は反射され、残りの半分は右側に送信される。 フォノンが左と右から同時に放出されると、両方とも片側で終わります（予想通り）。

フォノンベースのコンピュータ…？

フリッツァー分子工学大学の物理学者であり、研究チームの一員であるアンドリュー・クランドは、「科学の基本的な質問は、フォノンが…実際に量子力学がしなければならないと言う方法で行動するかどうかです」と述べました。 。 物理学 雑誌。 彼のチームのテストは彼らがそうすることを証明しました。

しかし、フォノンを情報単位として使用する機能的な量子コンピュータまではまだ遠い。 ノッティンガム大学の物理学者アンドリューアーマーがより広範に表現したように 科学ニュース：「あなたがしていることは [quantum] ツールボックス… 人々はそれに基づいているでしょう、それは続くでしょう、そしてすぐに止まる兆候はありません。

• IBM は、量子コンピューターが問題を解決できると主張する論文を発表しました。 役に立つ 今日の既存のコンピュータができない問題、計算が複雑になると、計算が信頼できなくなる可能性があるという懸念から得られた結果です。

• チームは、光子が光ビームスプリッタと相互作用するように、これらのフォノンが櫛と相互作用することを発見した。

• ビームスプリッタは光学研究に広く使用されている。 直線に沿って光を照らす松明を想像してください。 これは基本的に光子の流れです。 ビームスプリッタが光路に配置されると、ビームを２つに分割する。 つまり、光子の50％が片側に反射し、残りの50％が直線で通過します。