Kvantmaskin

En  kvantmaskin är en teknisk anordning som fungerar i enlighet med kvantmekanikens lagar . Tanken att makroskopiska objekt kan följa kvantmekanikens lagar dök upp under utvecklingen av kvantmekanikens grunder i början av 1900-talet [1] [2] . Samtidigt, som demonstreras av tankeexperimentet med Schrödingers katt , i övergången från subatomära till makroskopiska system, kännetecknas kvantmekaniken av ofullständighet. Efterföljande experiment visade att kvanttillstånd av rörelse endast observerades under speciella förhållanden vid ultralåga temperaturer. Kvanteffekter i makroskopiska objekt kan också uppstå som ett resultat av snabb kvantdekoherens [3] .

Den första verkliga kvantmaskinen skapades av O'Connell 2009 och utsågs till "Årets genombrott " 2010 av tidskriften Science .

Den första kvantmaskinen

Den första kvantmaskinen skapades den 4 augusti 2009 av Aaron O'Connell vid University of California, Santa Barbara , som en del av hans doktorsexamen. O'Connell och hans kollegor kopplade en mekanisk resonator till en qubit  , en enhet som kan vara i en superposition av två kvanttillstånd. De kunde få resonatorn att vibrera vid en låg och hög frekvens på samma gång, en effekt som är omöjlig i klassisk fysik . Den mekaniska resonatorn var tillräckligt stor för att kunna ses med blotta ögat, ungefär lika tjock som ett människohår [4] . En artikel som beskriver de erhållna resultaten publicerades i tidskriften Nature i mars 2010 [5] . Science magazine tillkännagav skapandet av den första kvantmaskinen som " Årets genombrott " 2010 [6] .

Kylar ner till noll energi

För att demonstrera kvanteffekter i enhetens drift var det först nödvändigt att kyla den mekaniska resonatorn tills den nådde sitt baskvanttillstånd ( nollenergitillstånd ). I synnerhet krävde detta en temperatur , där h är Plancks konstant , f är resonatorfrekvensen , k är Boltzmanns konstant . Tidigare team av forskare har försökt uppnå detta tillstånd genom att till exempel kyla en 1 MHz resonator till en extremt låg temperatur på 50 millikelvin [7] . O'Connells team byggde en annan typ av resonator, Film Volume Acoustic Resonator (TFBAR) [5] med en mycket högre resonansfrekvens (6 GHz), som nådde ett nollenergitillstånd vid en relativt hög temperatur (~0,1 K); Denna temperatur kunde lätt nås med ett utspädningskylskåp [5] . Under experimentet kyldes resonatorn ner till 25 millikelvin [5] .

Kvanttillståndskontroll

TFBAR som användes av O'Connells team var gjord av ett piezoelektriskt material , så den avgav en alternerande elektrisk signal när den vibrerade, och omvänt kan den elektriska signalen påverka dess vibration. Detta gjorde att resonatorn kunde kopplas till en supraledande fas qubit  en anordning som används i kvantberäkning vars kvanttillstånd kan kontrolleras exakt.

Svängningar av kvantmekaniska system beskrivs med hjälp av elementära kvasipartiklar- fononer . Kylningen av resonatorn till tillståndet med noll energi kan betraktas som likvärdig med avlägsnandet av alla fononer. Efter att ha nått detta tillstånd började O'Connells team flytta individuella fononer från qubiten till den mekaniska resonatorn och kunde därigenom också överföra qubiten, som var i en överlagring av två tillstånd, till resonatorn [8] . Enligt American Association for the Advancement of Science gjorde detta det möjligt att uppnå ett tillstånd där resonatorn "vibrerade lite och mycket på samma gång" [9] . Vibrationerna varade bara några nanosekunder, varefter de förstördes av yttre påverkan [10] . O'Connells Nature -artikel om experimentet noterade: "Denna demonstration ger starka bevis för att kvantmekaniken gäller ett mekaniskt föremål som är tillräckligt stort för att kunna ses med blotta ögat" [5] .

Anteckningar

  1. ↑ Schrödinger, E.  Den nuvarande situationen inom kvantmekaniken  // Naturwissenschaften : journal. - 1935. - Vol. 23 , nr. 48 . - s. 807-812; 823-828; 844-849 . - doi : 10.1007/BF01491891 . - .
  2. ↑ Leggett, AJ Testar kvantmekanikens gränser: motivation, läge, framtidsutsikter  // J.  Phys .: Condens. Materia : journal. - 2002. - Vol. 14 , nr. 15 . - P.R415-R451 . - doi : 10.1088/0953-8984/14/15/201 . - . .
  3. ↑ Zurek, W.H. Decoherence, einselection, och kvantuppkomsten av den klassiska  (engelska)  // Reviews of Modern Physics  : journal. - 2003. - Vol. 75 , nr. 3 . - s. 715-765 . - doi : 10.1103/RevModPhys.75.715 . - . — arXiv : quant-ph/0105127 .
  4. ↑ Boyle, Alan . Året i vetenskapen: ett kvantsprång , MSNBC. Arkiverad från originalet den 19 december 2010. Hämtad 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. Quantum ground state and single-phonon control of a mekanisk resonator  //  Nature : journal. - 2010. - Vol. 464 , nr. 7289 . - s. 697-703 . - doi : 10.1038/nature08967 . - . — PMID 20237473 .
  6. ↑ Cho, Adrian. Årets genombrott: The First Quantum Machine  (engelska)  // Science  : journal. - 2010. - Vol. 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 Arkiverad 12 maj 2016 på Wayback Machine
  8. ↑ Markus Aspelmeyer, "Quantum mechanics: the surf is up", Nature 464, 685-686 (1 april 2010)
  9. ↑ Brandon Bryn, "Science: The breakthroughs of 2010 and insights of the decade" Arkiverad 5 juni 2013 på Wayback Machine , American Association for the Advancement of Science, 16 december 2010
  10. ↑ Richard Webb, "Första kvanteffekter sett i synligt objekt" Arkiverad 29 april 2015 på Wayback Machine , New Scientist, 17 mars 2010

Litteratur