أوضح | هل الفونونات ، جزيئات الصوت ، كمومية أيضًا؟

حركة حشرة على سطح الماء تخلق مجموعتين من التموجات التي تتداخل مع بعضها البعض ، مما يخلق نمط تداخل مرئي في منطقة الساعة 11-12 ، نيو مكسيكو ، 29 مايو ، 2019. | مصدر الصورة: مايك لوينسكي / أنسبلاش

أحد أهم الأخبار في عالم الحوسبة هذه الأيام هو أجهزة الكمبيوتر الكمومية (والآخر هو الذكاء الاصطناعي). مؤخرا ، آي بي إم نشرت ورقة التي زعمت أنها أثبتت أن الكمبيوتر الكمي يمكنه حل مشكلة مفيد مشكلة لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية اليوم ، وهي نتيجة تستحقها المخاوف من أن حساباتها قد تصبح غير موثوقة للغاية عندما تصبح معقدة أيضًا.

ما هي الكيوبتات؟

تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكيوبتات كوحدات معلومات أساسية. يمكن أن يكون الكيوبت جسيمًا – مثل الإلكترون ؛ مجموعة من الجسيمات أو نظام كمي مصمم ليتصرف مثل الجسيمات. يمكن للجسيمات أن تفعل أشياء غير تقليدية لا تستطيع الأشياء الكبيرة – مثل أشباه الموصلات في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية – لأنها تسترشد بقواعد فيزياء الكم. تسمح هذه القواعد لكل كيوبت بالحصول على القيمتين “تشغيل” و “إيقاف” في نفس الوقت ، على سبيل المثال.

تتمثل فرضية الحوسبة الكمومية في أنه يمكن “ترميز” المعلومات في بعض خصائص الجسيم ، مثل دوران الإلكترون ، ثم معالجتها باستخدام هذه القدرات الغريبة. نتيجة لذلك ، من المتوقع أن تقوم أجهزة الكمبيوتر الكمومية بإجراء عمليات حسابية معقدة بعيدًا عن متناول أفضل أجهزة الكمبيوتر العملاقة اليوم.

تستخدم الأشكال الأخرى للحوسبة الكمومية وحدات أخرى من المعلومات. على سبيل المثال ، تستخدم الحوسبة الكمومية الضوئية الخطية (LOQC) الفوتونات وجزيئات الضوء مثل الكيوبتات. تمامًا مثل الأجزاء المختلفة من المعلومات التي يمكن دمجها ومعالجتها عن طريق ترميزها على الإلكترونات ثم جعل الإلكترونات تتفاعل بطرق مختلفة ، يعرض LOQC استخدام المعدات البصرية – مثل المرايا والعدسات والمقسمات واللوحات الموجية وما إلى ذلك – مع الفوتونات لمعالجة المعلومات .

في الواقع ، أي جسيم يمكن التحكم فيه ومعالجته باستخدام ظواهر ميكانيكا الكم يجب ، على الورق ، أن يكون قابلاً للاستخدام كوحدة معلومات في الكمبيوتر الكمومي.

ما هي الفونونات؟

هذا هو السبب في أن علماء الفيزياء يتساءلون عما إذا كان بإمكانهم استخدام الفونونات أيضًا. الفوتونات عبارة عن حزم من الطاقة الضوئية. وبالمثل ، فإن الفونونات عبارة عن حزم من الطاقة الاهتزازية. لذا فإن السؤال هو: هل يمكننا بناء حاسوب كمي تكون وحدة معلوماته ، بالعامية ، سليمة؟

وفقا للورقة نشرت في علوم هذا الشهر ، يجب أن يكون ذلك ممكنًا.

تكمن المشكلة في أنه يمكن للباحثين معالجة الإلكترونات باستخدام التيارات الكهربائية والمجالات المغناطيسية وما إلى ذلك ، ويمكنهم معالجة الفوتونات بالمرايا والعدسات وما إلى ذلك – ولكن ما الذي يمكنهم التلاعب بالفونونات به؟ تحقيقا لهذه الغاية ، في الدراسة الجديدة ، أفاد باحثون من جامعة شيكاغو بتطوير جهاز تقسيم شعاع صوتي.

ما هو شعاع الفاصل؟

تستخدم مقسمات الشعاع على نطاق واسع في أبحاث البصريات. تخيل شعلة تسليط الضوء على طول خط مستقيم. هذا هو في الأساس تيار من الفوتونات. عندما يتم وضع فاصل شعاع في مسار الضوء ، فإنه يقسم الشعاع إلى قسمين: أي أنه سيعكس 50٪ من الفوتونات إلى جانب واحد ويسمح للـ 50٪ الآخر بالمرور بشكل مستقيم.

في حين أن الأمر يبدو بسيطًا ، فإن عمل مقسم الحزمة يعتمد في الواقع على فيزياء الكم. إذا قمت بتألق مليون فوتون عليه ، فسوف ينتج عنه شعاعتان ، كل منهما 500000 فوتون. يمكننا بعد ذلك عكس هذين الشعاعين لتتقاطع مع بعضهما البعض ، مما يخلق نمط تداخل (تذكر تجربة يونغ ذات الشق المزدوج). لكن الباحثين وجدوا أن نمط التداخل يظهر حتى عندما يلمعون الفوتونات في مقسم الشعاع الواحد تلو الآخر. ما هي الفوتونات التي تتدخل؟ الجواب هو أنفسهم.

هذا لأن أ) يمكن للجسيمات أيضًا أن تتصرف مثل الموجات ، و ب) حتى يتم إجراء الملاحظة ، يوجد نظام كمي في تراكب لجميع حالاته الممكنة (مثل كيوبت يكون جزئيًا “ قيد التشغيل ” وجزئيًا “ متوقفًا ” في نفس الوقت وقت). لذلك عندما تتفاعل الموجة المفردة مع فاصل الحزمة ، فإنها تدخل في تراكب النتيجتين المحتملتين – المنعكسة والمرسلة. عندما تتحد هذه الحالات ، فإن ملف نمط التدخل يظهر.

ماذا فعلت الدراسة الجديدة؟

في الدراسة الجديدة ، طور الباحثون جهاز تقسيم شعاع صوتي – وهو جهاز صغير يشبه المشط ، مع 16 قضيبًا معدنيًا يبرز منه. تم وضعه في منتصف قناة بطول 2 مم من الليثيوم نيوبات. كان لكل طرف من طرفي القناة كيوبت فائق التوصيل – وهو كيوبت كانت مكونات دائرته فائقة التوصيل – يمكنه في الوقت نفسه إصدار وكشف الفونونات الفردية. تم الحفاظ على الإعداد بالكامل عند درجة حرارة منخفضة للغاية.

إذا تم تحويل هذه الفونونات إلى صوت ، فسيكون ترددها مرتفعًا جدًا بحيث لا يستطيع البشر سماعه. يمثل كل فونون في الدراسة ، وفقًا للورقة ، الاهتزاز “الجماعي” لحوالي كوادريليون ذرة.

وجد الفريق أن هذه الفونونات تتفاعل مع المشط تمامًا مثل تفاعل الفوتونات مع مقسم الحزمة الضوئية. عندما انبعث هاتف من الجانب الأيسر للقناة ، كان ينعكس نصف الوقت وينتقل إلى الجانب الأيمن في النصف الآخر. عندما تم إصدار الفونونات في وقت واحد من الجانبين الأيسر والأيمن ، انتهى الأمر بهما على جانب واحد (كما هو متوقع).

حاسوب قائم على الهاتف …؟

قال أندرو كليلاند ، الفيزيائي في كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية وعضو فريق الدراسة ، “السؤال العلمي الأساسي هو ما إذا كانت الفونونات … تتصرف فعلاً بالطريقة التي تقول ميكانيكا الكم أنها يجب أن تفعل” الفيزياء مجلة. أثبتت اختبارات فريقه أنهم يفعلون ذلك.

ولكن لا يزال الطريق طويلاً من هنا إلى كمبيوتر كمي وظيفي يستخدم الفونونات كوحدات معلومات. كما صاغها عالم الفيزياء في جامعة نوتنغهام أندرو آرمور بشكل أوسع أخبار العلوم: “ما تفعله هو توسيع نطاق [quantum] صندوق الأدوات … سيبني عليه الأشخاص ، وسيستمر ، وليس هناك ما يشير إلى توقفه في أي وقت قريب “.

• نشرت IBM ورقة زعمت فيها أنها أثبتت أن الكمبيوتر الكمي يمكنه حل مشكلة مفيد مشكلة لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية اليوم ، وهي نتيجة تستحقها المخاوف من أن حساباتها قد تصبح غير موثوقة للغاية عندما تصبح معقدة أيضًا.

• وجد الفريق أن هذه الفونونات تتفاعل مع المشط تمامًا مثل تفاعل الفوتونات مع مقسم الحزمة الضوئية.

• تستخدم مقسمات الشعاع على نطاق واسع في أبحاث البصريات. تخيل شعلة تسليط الضوء على طول خط مستقيم. هذا هو في الأساس تيار من الفوتونات. عندما يتم وضع فاصل شعاع في مسار الضوء ، فإنه يقسم الشعاع إلى قسمين: أي أنه سيعكس 50٪ من الفوتونات إلى جانب واحد ويسمح للـ 50٪ الآخر بالمرور بشكل مستقيم.