Kvantemaskine

En  kvantemaskine er en teknisk enhed, der fungerer i overensstemmelse med kvantemekanikkens love . Ideen om, at makroskopiske objekter kan følge kvantemekanikkens love, opstod under udviklingen af ​​kvantemekanikkens grundlag i begyndelsen af ​​det 20. århundrede [1] [2] . Samtidig, som demonstreret af tankeeksperimentet med Schrödingers kat , i overgangen fra subatomare til makroskopiske systemer, er kvantemekanikken karakteriseret ved ufuldstændighed. Efterfølgende eksperimenter viste, at kvantetilstande af bevægelse kun blev observeret under særlige forhold ved ultralave temperaturer. Kvanteeffekter i makroskopiske objekter kan også opstå som følge af hurtig kvantedekohærens [3] .

Den første virkelige kvantemaskine blev skabt af O'Connell i 2009 og blev kåret til " Årets gennembrud " i 2010 af magasinet Science .

Den første kvantemaskine

Den første kvantemaskine blev skabt den 4. august 2009 af Aaron O'Connell fra University of California, Santa Barbara , som en del af hans ph.d. O'Connell og hans kolleger tilsluttede en mekanisk resonator til en qubit  , en enhed, der kan være i en superposition af to kvantetilstande. De var i stand til at få resonatoren til at vibrere ved en lav og høj frekvens på samme tid, en effekt der er umulig i klassisk fysik . Den mekaniske resonator var stor nok til at kunne ses med det blotte øje, omtrent på størrelse med et menneskehår [4] . Et papir, der beskriver de opnåede resultater, blev offentliggjort i tidsskriftet Nature i marts 2010 [5] . Science magazine annoncerede skabelsen af ​​den første kvantemaskine som " Årets gennembrud " i 2010 [6] .

Køler ned til nul energi

For at demonstrere kvanteeffekter i driften af ​​enheden var det først nødvendigt at afkøle den mekaniske resonator, indtil den nåede sin basiskvantetilstand ( nul-energitilstand ). Dette krævede især en temperatur , hvor h er Plancks konstant , f er resonatorfrekvensen , k er Boltzmanns konstant . Tidligere hold af forskere har forsøgt at opnå denne tilstand ved for eksempel at køle en 1 MHz resonator til en ekstremt lav temperatur på 50 millikelvin [7] . O'Connells team byggede en anden type resonator, Film Volume Acoustic Resonator (TFBAR) [5] med en meget højere resonansfrekvens (6 GHz), som nåede en nul-energitilstand ved en relativt høj temperatur (~0,1 K); Denne temperatur kunne nemt nås med et fortyndingskøleskab [5] . Under forsøget blev resonatoren kølet ned til 25 millikelvin [5] .

Kvantetilstandskontrol

TFBAR'en brugt af O'Connells team var lavet af et piezoelektrisk materiale , så den udsendte et vekslende elektrisk signal, når den vibrerede, og omvendt kunne det elektriske signal påvirke dets vibration. Dette gjorde det muligt for resonatoren at blive koblet til en superledende fase-qubit  en enhed, der bruges i kvanteberegning , hvis kvantetilstand kan styres præcist.

Oscillationer af kvantemekaniske systemer beskrives ved hjælp af elementære kvasipartikler- fononer . Afkølingen af ​​resonatoren til tilstanden med nul energi kan betragtes som ækvivalent med fjernelse af alle fononer. Efter at have nået denne tilstand begyndte O'Connells team at flytte individuelle fononer fra qubit til den mekaniske resonator, og derved var de også i stand til at overføre qubitten, som var i en superposition af to tilstande, til resonatoren [8] . Ifølge American Association for the Advancement of Science gjorde dette det muligt at opnå en tilstand, hvor resonatoren "vibrerede lidt og meget på samme tid" [9] . Vibrationerne varede kun nogle få nanosekunder, hvorefter de blev ødelagt af ydre påvirkninger [10] . O'Connell's Nature -artikel om eksperimentet bemærkede: "Denne demonstration giver stærke beviser for, at kvantemekanik gælder for et mekanisk objekt, der er stort nok til at blive set med det blotte øje" [5] .

Noter

  1. ↑ Schrödinger, E.  Den nuværende situation i kvantemekanik  // Naturwissenschaften : journal. - 1935. - Bd. 23 , nr. 48 . - s. 807-812; 823-828; 844-849 . - doi : 10.1007/BF01491891 . - .
  2. ↑ Leggett, AJ Test af kvantemekanikkens grænser: motivation, tilstand, udsigter  // J.  Phys .: Condens. Stof : journal. - 2002. - Bd. 14 , nr. 15 . - P.R415-R451 . - doi : 10.1088/0953-8984/14/15/201 . - . .
  3. ↑ Zurek, W.H. Decoherence, einselection, og kvanteoprindelsen af ​​det klassiske  (engelsk)  // Reviews of Modern Physics  : journal. - 2003. - Bd. 75 , nr. 3 . - s. 715-765 . - doi : 10.1103/RevModPhys.75.715 . - . — arXiv : quant-ph/0105127 .
  4. ↑ Boyle, Alan . Året i videnskaben: et kvantespring , MSNBC. Arkiveret fra originalen den 19. december 2010. Hentet 23. december 2010.
  5. ↑ 1 2 3 4 5 O'Connell, AD; Hofheinz, M.; Ansmann, M.; Bialczak, R.C.; Lenander, M.; Lucero, E.; Neeley, M.; Sank, D.; Wang, H. Kvantegrundtilstand og enkeltfononstyring af en mekanisk resonator  //  Nature: journal. - 2010. - Bd. 464 , nr. 7289 . - s. 697-703 . - doi : 10.1038/nature08967 . - . — PMID 20237473 .
  6. ↑ Cho, Adrian. Årets gennembrud: The First Quantum Machine  (engelsk)  // Science  : journal. - 2010. - Bd. 330 , nr. 6011 . — S. 1604 . - doi : 10.1126/science.330.6011.1604 . - . — PMID 21163978 .
  7. ↑ Steven Girvin, http://www.condmatjournalclub.org/wp-content/uploads/2010/04/jccm_april2010_013.pdf Arkiveret 12. maj 2016 på Wayback Machine
  8. ↑ Markus Aspelmeyer, "Quantemekanik: brændingen er oppe", Nature 464, 685-686 (1. april 2010)
  9. ↑ Brandon Bryn, "Science: The breakthroughs of 2010 and insights of the decade" Arkiveret 5. juni 2013 på Wayback Machine , American Association for the Advancement of Science, 16. december 2010
  10. ↑ Richard Webb, "First quantum effects set in visible object" Arkiveret 29. april 2015 på Wayback Machine , New Scientist, 17. marts 2010

Litteratur