Kvantový stroj - Quantum machine

Nesmí být zaměňována s kvantovým počítačem .
Fotografie kvantového stroje vyvinutého O'Connellem. Mechanický rezonátor je umístěn vlevo dole od vazebního kondenzátoru (malý bílý čtverec). Qubit je připojen k pravé horní části vazebního kondenzátoru.

Kvantový počítač je zařízení člověkem vyrobené, jejichž společný pohyb řídí zákony kvantové mechaniky . Myšlenka, že makroskopické objekty mohou dodržovat zákony kvantové mechaniky, se datuje od příchodu kvantové mechaniky na počátku 20. století. Jak však zdůraznil Schrödingerův experiment s myšlenkami na kočky , kvantové efekty nelze snadno pozorovat u objektů velkého rozsahu. V důsledku toho byly kvantové stavy pohybu pozorovány pouze za zvláštních okolností při extrémně nízkých teplotách. Křehkost kvantových efektů v makroskopických objektech může vzniknout z rychlé kvantové dekoherence . Výzkumníci vytvořili první kvantový počítač v roce 2009, a úspěch byl jmenován „průlom roku“ Science v roce 2010.

Dějiny

Rastrovací elektronový mikrosnímek z fólie objemové akustické rezonátoru . Mechanicky aktivní část rezonátoru je nesena nalevo dvěma kovovými vodiči, které fungují jako elektrické spoje.

První kvantový stroj byl vytvořen 4. srpna 2009 Aaronem D. O'Connellem při studiu jeho Ph.D. pod vedením Andrewa N. Clelanda a Johna M. Martinise na Kalifornské univerzitě v Santa Barbaře . O'Connell a jeho kolegové spojeny dohromady mechanický rezonátor , podobný malý můstek a qubit , přístroj, který může být v superpozici dvou kvantových stavů ve stejnou dobu. Dokázali donutit rezonátor vibrovat současně malým a velkým množstvím - což je účinek, který by v klasické fyzice nebyl možný . Mechanický rezonátor byl dostatečně velký, aby ho bylo možné vidět pouhým okem - asi tak dlouhý jako šířka lidského vlasu. Průkopnická práce byla následně publikována v časopise Nature v březnu 2010. Časopis Science prohlásil vytvoření prvního kvantového stroje za „ Průlom roku “ roku 2010.

Chlazení do základního stavu

Aby demonstroval kvantově mechanické chování, musel tým nejprve ochladit mechanický rezonátor, dokud nebyl v kvantovém základním stavu (stav s nejnižší možnou energií ). Konkrétně byla požadována teplota , kde je Planckova konstanta , je frekvence rezonátoru a je Boltzmannova konstanta . Předchozí týmy výzkumníků se s touto fází potýkaly , protože například rezonátor 1  MHz by musel být ochlazen na extrémně nízkou teplotu 50  μK . O'Connellov tým zkonstruoval jiný typ rezonátoru, filmový objemový akustický rezonátor , s mnohem vyšší rezonanční frekvencí (6 GHz), která by proto dosáhla svého základního stavu při (relativně) vyšší teplotě (~ 0,1 K); této teploty by pak bylo možné snadno dosáhnout pomocí ředicí chladničky . V experimentu byl rezonátor ochlazen na 25 mK.

Ovládání kvantového stavu

Akustický rezonátor filmu byl vyroben z piezoelektrického materiálu , takže když kmital, jeho měnící se tvar vytvářel měnící se elektrický signál a naopak elektrický signál mohl ovlivňovat jeho oscilace. Tato vlastnost umožnila rezonátoru, které mají být spolu s supravodivé fáze qubit , zařízení používané v kvantové práce na počítači , jehož kvantový stav může být přesně řízena.

V kvantové mechanice jsou vibrace tvořeny elementárními vibracemi zvanými fonony . Chlazení rezonátoru do základního stavu lze považovat za ekvivalent odstranění všech fononů. Tým byl poté schopen přenést jednotlivé fonony z qubitu do rezonátoru. Tým také dokázal přenést stav superpozice , kdy byl qubit v superpozici dvou stavů současně, na mechanický rezonátor. To podle Americké asociace pro pokrok ve vědě znamená, že rezonátor „doslova vibroval trochu a hodně současně“ . Vibrace trvaly jen několik nanosekund, než byly rozrušeny rušivými vnějšími vlivy. V dokumentu Nature tým uzavřel: „Tato demonstrace poskytuje silné důkazy o tom, že kvantová mechanika platí pro mechanický objekt dostatečně velký na to, aby byl viditelný pouhým okem.“

Poznámky

^   a:  Energie základního stavu oscilátoru je úměrná jeho frekvenci: viz kvantový harmonický oscilátor .

Reference

externí odkazy