Kvantumgép

A  kvantumgép olyan technikai eszköz, amely a kvantummechanika törvényeinek megfelelően működik . Az a gondolat, hogy a makroszkopikus objektumok követhetik a kvantummechanika törvényeit, a kvantummechanika alapjainak kidolgozása során jelent meg a 20. század elején [1] [2] . Ugyanakkor, amint azt a Schrödinger macskájával végzett gondolatkísérlet is mutatja, a szubatomi rendszerekről a makroszkopikus kvantummechanikára való átmenetben a befejezetlenség jellemzi. A későbbi kísérletek kimutatták, hogy a mozgás kvantumállapotait csak speciális körülmények között, ultraalacsony hőmérsékleten figyelték meg. A makroszkopikus objektumokban kvantumhatások a gyors kvantumdekoherencia eredményeként is keletkezhetnek [ 3] .

Az első valós kvantumgépet O'Connell készítette 2009-ben , és 2010-ben a Science magazin az „Év áttörése ” címet kapta .

Az első kvantumgép

Az első kvantumgépet 2009. augusztus 4-én hozta létre Aaron O'Connell , a Santa Barbara-i Kaliforniai Egyetem munkatársa , Ph.D. tanulmányának részeként. O'Connell és munkatársai egy mechanikus rezonátort kapcsoltak egy qubithez  , egy olyan eszközhöz, amely két kvantumállapot szuperpozíciójában lehet. Egyszerre tudták alacsony és magas frekvencián rezegtetni a rezonátort, ami a klasszikus fizikában lehetetlen . A mechanikus rezonátor elég nagy volt ahhoz, hogy szabad szemmel is látható legyen, körülbelül egy emberi hajszál vastagsága [4] . Az elért eredményeket leíró tanulmány a Nature folyóiratban jelent meg 2010 márciusában [5] . A Science magazin 2010-ben " Az év áttöréseként " jelentette be az első kvantumgép megalkotását [6] .

Lehűlés nulla energiára

Az eszköz működésében a kvantumhatások demonstrálásához először le kellett hűteni a mechanikai rezonátort, amíg az el nem éri az alapkvantumállapotot ( zéróenergiás állapot ). Ehhez különösen egy hőmérsékletre volt szükség , ahol h a Planck -állandó , f a rezonátorfrekvencia , k pedig a Boltzmann -állandó . Korábbi kutatócsoportok megpróbálták elérni ezt az állapotot például egy 1 MHz -es rezonátor rendkívül alacsony, 50 millikelvin hőmérsékletre való lehűtésével [7] . O'Connell csapata egy másik típusú rezonátort épített, a Film Volume Acoustic Resonator (TFBAR) [5] sokkal nagyobb rezonanciafrekvenciával (6 GHz), amely viszonylag magas hőmérsékleten (~0,1) érte el a nulla energiájú állapotot. K ); Ez a hőmérséklet könnyen elérhető egy hígítóhűtővel [5] . A kísérlet során a rezonátort 25 millikelvinre hűtöttük [5] .

Kvantumállapot-vezérlés

Az O'Connell csapata által használt TFBAR piezoelektromos anyagból készült , ezért váltakozó elektromos jelet bocsátott ki, amikor vibrált, és fordítva, az elektromos jel befolyásolhatja a rezgését. Ez lehetővé tette, hogy a rezonátort egy szupravezető fázisú qubithez kapcsolják, egy kvantumszámítási  eszközhöz, amelynek kvantumállapota pontosan szabályozható.

A kvantummechanikai rendszerek oszcillációit elemi kvázirészecskék- fononok segítségével írjuk le . A rezonátor nulla energiájú állapotba hűtése egyenértékűnek tekinthető az összes fonon eltávolításával. Miután elérte ezt az állapotot, O'Connell csapata elkezdte az egyes fononokat a qubitről a mechanikus rezonátorra mozgatni, és ennek során a két állapot szuperpozíciójában lévő qubitet is át tudta vinni a rezonátorra [8] . Az American Association for the Advancement of Science szerint ez lehetővé tette egy olyan állapot elérését, amelyben a rezonátor "egyszerre vibrált kicsit és sokat" [9] . A rezgések csak néhány nanomásodpercig tartottak, majd a külső hatások tönkretették [10] . A kísérletről szóló O'Connell Nature -cikk megjegyezte: "Ez a demonstráció erős bizonyítékot szolgáltat arra, hogy a kvantummechanika olyan mechanikai objektumokra vonatkozik, amelyek elég nagyok ahhoz, hogy szabad szemmel is látható legyen" [5] .

Jegyzetek

  1. ↑ Schrödinger, E.  A jelenlegi helyzet a kvantummechanikában  // Naturwissenschaften : folyóirat. - 1935. - 1. évf. 23 , sz. 48 . - P. 807-812; 823-828; 844-849 . - doi : 10.1007/BF01491891 . - .
  2. ↑ Leggett, AJ A kvantummechanika határainak tesztelése: motiváció, állapot, kilátások  // J.  Phys .: Condens. Ügy : folyóirat. - 2002. - 20. évf. 14 , sz. 15 . - P.R415-R451 . - doi : 10.1088/0953-8984/14/15/201 . - Iránykód . .
  3. ↑ Zurek, W. H. Dekoherencia, einszelekció, és a kvantum eredete a klasszikus  (angol)  // Reviews of Modern Physics  : Journal. - 2003. - 1. évf. 75 , sz. 3 . - P. 715-765 . - doi : 10.1103/RevModPhys.75.715 . - Iránykód . — arXiv : quant-ph/0105127 .
  4. ↑ Boyle, Alan . Az év a tudományban: kvantugrás , MSNBC. Az eredetiből archiválva : 2010. december 19. Letöltve: 2010. december 23.
  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. Mechanikus rezonátor kvantum alapállapota és egyfononvezérlése  //  Nature : Journal. - 2010. - 20. évf. 464 , sz. 7289 . - P. 697-703 . - doi : 10.1038/nature08967 . - . — PMID 20237473 .
  6. ↑ Cho, Adrian. Az év áttörése: Az első kvantumgép  (angol)  // Tudomány  : folyóirat. - 2010. - 20. évf. 330 , sz. 6011 . - 1604. o . - doi : 10.1126/tudomány.330.6011.1604 . - . — PMID 21163978 .
  7. ↑ Steven Girvin, http://www.condmatjournalclub.org/wp-content/uploads/2010/04/jccm_april2010_013.pdf Archiválva : 2016. május 12. a Wayback Machine -nél
  8. ↑ Markus Aspelmeyer, "Kvantummechanika: a szörfözés felfelé", Nature 464, 685-686 (2010. április 1.)
  9. ↑ Brandon Bryn, "Tudomány: 2010 áttörései és az évtized belátásai" Archiválva : 2013. június 5., a Wayback Machine , American Association for the Advancement of Science, 2010. december 16.
  10. ↑ Richard Webb, "First quantum effects seen in visual object" Archiválva : 2015. április 29., the Wayback Machine , New Scientist, 2010. március 17.

Irodalom