Come la suddivisione del suono potrebbe portare a un nuovo tipo di computer quantistico

Quando accendi una lampada per illuminare una stanza, stai sperimentando l'energia luminosa trasmessa come fotoni, che sono piccoli pacchetti quantici discreti di energia. Questi fotoni devono obbedire alle leggi, a volte strane, della meccanica quantistica, che, ad esempio, impongono che i fotoni siano indivisibili, ma allo stesso tempo consentono a un fotone di trovarsi in due posti contemporaneamente.

Similmente ai fotoni che compongono i fasci di luce, le particelle quantistiche indivisibili chiamate fononi compongono un raggio sonoro. Queste particelle emergono dal movimento collettivo di quadrilioni di atomi, proprio come l’“onda di uno stadio” in un’arena sportiva è dovuta al movimento di migliaia di singoli tifosi. Quando ascolti una canzone, senti un flusso di queste piccolissime particelle quantistiche.

Originariamente concepiti per spiegare le capacità termiche dei solidi, si prevede che i fononi obbediscano alle stesse regole della meccanica quantistica dei fotoni. La tecnologia per generare e rilevare i singoli fononi, tuttavia, è rimasta indietro rispetto a quella dei fotoni.

Questa tecnologia è stata sviluppata solo ora, in parte dal mio gruppo di ricerca presso la Pritzker School of Molecular Engineering dell’Università di Chicago. Stiamo esplorando le proprietà quantistiche fondamentali del suono dividendo i fononi a metà e unendoli insieme.

La ricerca fondamentale del mio gruppo sui fononi potrebbe un giorno consentire ai ricercatori di costruire un nuovo tipo di computer quantistico, chiamato computer quantistico meccanico.

Per esplorare le proprietà quantistiche dei fononi, il nostro team utilizza specchi acustici, che possono dirigere i raggi sonori. I nostri ultimi esperimenti, pubblicati in un recente numero di Science, tuttavia, coinvolgono specchi “cattivi”, chiamati beam splitter, che riflettono circa la metà del suono inviato verso di loro e lasciano passare l’altra metà. Il nostro team ha deciso di esplorare cosa succede quando dirigiamo un fonone verso un divisore di fascio.

Come un fonone è indivisibile; non può essere diviso. Invece, dopo aver interagito con il divisore di fascio, il fonone finisce in quello che viene chiamato “stato di sovrapposizione”. In questo stato il fonone è, in qualche modo paradossalmente, sia riflesso che trasmesso, ed è altrettanto probabile che sia rilevato in entrambi gli stati. Se intervieni e rilevi il fonone, metà delle volte misurerai che è stato riflesso e metà del tempo che è stato trasmesso; in un certo senso, lo stato viene selezionato in modo casuale dal rilevatore. In assenza del processo di rilevamento, il fonone rimarrà nello stato di sovrapposizione sia trasmesso che riflesso.

Questo effetto di sovrapposizione è stato osservato molti anni fa con i fotoni. I nostri risultati indicano che i fononi hanno la stessa proprietà.

Dopo aver dimostrato che i fononi possono entrare in sovrapposizioni quantistiche proprio come fanno i fotoni, il mio team ha posto una domanda più complessa. Volevamo sapere cosa sarebbe successo se avessimo inviato due fononi identici nel divisore di fascio, uno da ciascuna direzione.

Si scopre che ciascun fonone entrerà in uno stato di sovrapposizione simile di metà trasmesso e metà riflesso. Ma a causa della fisica del divisore di raggio, se cronometramo con precisione i fononi, essi interferiranno tra loro in modo quantomeccanico. Ciò che emerge è in realtà uno stato di sovrapposizione di due fononi che vanno in una direzione e due fononi che vanno nell’altra: i due fononi sono quindi legati in modo quantomeccanico.

Nell'entanglement quantistico, ciascun fonone è in una sovrapposizione di riflesso e trasmissione, ma i due fononi sono bloccati insieme. Ciò significa che il rilevamento di un fonone come trasmesso o riflesso forza l'altro fonone a trovarsi nello stesso stato.

Quindi, se rilevi, rileverai sempre due fononi, che vanno in una direzione o nell'altra, mai un fonone che va in entrambe le direzioni. Questo stesso effetto per la luce, la combinazione di sovrapposizione e interferenza di due fotoni, è chiamato effetto Hong-Ou-Mandel, dal nome dei tre fisici che per primi lo predissero e lo osservarono nel 1987. Ora, il mio gruppo ha dimostrato questo effetto con il suono.

Questi risultati suggeriscono che ora potrebbe essere possibile costruire un computer quantistico meccanico utilizzando i fononi. Sono continui gli sforzi per costruire computer quantistici ottici che richiedano solo l’emissione, il rilevamento e l’interferenza di singoli fotoni. Questi sono paralleli agli sforzi per costruire computer quantistici elettrici, che attraverso l’uso di un gran numero di particelle entangled promettono un’accelerazione esponenziale per determinati problemi, come la fattorizzazione di grandi numeri o la simulazione di sistemi quantistici.