소리를 분리하면 새로운 종류의 양자 컴퓨터가 탄생할 수 있습니다.

방을 밝게 하기 위해 램프를 켜면 빛 에너지가 작고 개별적인 양자 에너지 묶음인 광자로 전달되는 것을 경험하게 됩니다. 이러한 광자는 때때로 이상한 양자 역학 법칙을 따라야 합니다. 예를 들어 광자는 분할할 수 없지만 동시에 광자가 동시에 두 위치에 있을 수 있다는 것을 의미합니다.

빛의 광선을 구성하는 광자와 유사하게, 포논이라고 불리는 분할할 수 없는 양자 입자는 소리의 광선을 구성합니다. 스포츠 경기장의 "경기장 파동"이 수천 명의 개별 팬의 움직임으로 인해 발생하는 것과 마찬가지로 이러한 입자는 수조 개의 원자의 집단적 움직임에서 나타납니다. 노래를 들으면 아주 작은 양자 입자의 흐름을 듣게 됩니다.

원래 고체의 열용량을 설명하기 위해 고안된 포논은 광자와 동일한 양자역학 규칙을 따를 것으로 예상됩니다. 그러나 개별 포논을 생성하고 감지하는 기술은 광자 기술에 비해 뒤떨어져 있습니다.

그 기술은 이제 시카고 대학교 프리츠커 분자 공학 대학의 내 연구 그룹에 의해 부분적으로 개발되고 있습니다. 우리는 포논을 반으로 나누고 서로 얽힘으로써 소리의 기본적인 양자 특성을 탐구하고 있습니다.

우리 그룹의 포논에 대한 기초 연구를 통해 언젠가 연구자들은 기계식 양자 컴퓨터라고 불리는 새로운 유형의 양자 컴퓨터를 구축할 수 있을 것입니다.

포논의 양자 특성을 탐구하기 위해 우리 팀은 소리 광선을 유도할 수 있는 음향 거울을 사용합니다. 그러나 사이언스(Science) 최근호에 발표된 우리의 최신 실험에는 빔 스플리터라고 불리는 "불량" 거울이 포함되어 있습니다. 이 거울은 전송된 소리의 절반 정도를 반사하고 나머지 절반은 통과시킵니다. 우리 팀은 빔 스플리터에 포논을 지시할 때 어떤 일이 일어나는지 조사하기로 결정했습니다.

포논은 분할될 수 없으므로; 그것은 분할될 수 없습니다. 대신, 빔 분할기와 상호작용한 후 포논은 소위 "중첩 상태"가 됩니다. 이 상태에서 포논은 다소 역설적으로 반사되고 전송되며 두 상태 모두에서 포논을 감지할 가능성이 동일합니다. 당신이 개입하여 포논을 감지한다면, 그것이 반사된 시간의 절반과 전송된 시간의 절반을 측정하게 될 것입니다. 어떤 의미에서 상태는 검출기에 의해 무작위로 선택됩니다. 감지 과정이 없으면 포논은 전송 및 반사되는 중첩 상태로 유지됩니다.

이 중첩 효과는 수년 전에 광자에서 관찰되었습니다. 우리의 결과는 포논이 동일한 속성을 가지고 있음을 나타냅니다.

우리 팀은 포논이 광자와 마찬가지로 양자 중첩에 들어갈 수 있음을 입증한 후 더 복잡한 질문을 했습니다. 우리는 두 개의 동일한 포논을 각 방향에서 하나씩 빔 분할기로 보내면 어떤 일이 일어날지 알고 싶었습니다.

각 포논은 반투과 및 반반사라는 유사한 중첩 상태로 전환되는 것으로 나타났습니다. 그러나 빔 분할기의 물리학으로 인해 포논의 시간을 정확하게 측정하면 양자역학적으로 서로 간섭하게 됩니다. 실제로 나타나는 것은 두 개의 포논이 한 방향으로 가고 두 개의 포논이 다른 방향으로 가는 중첩 상태입니다. 따라서 두 포논은 양자역학적으로 얽혀 있습니다.

양자 얽힘에서 각 포논은 반사와 전송이 중첩되지만 두 포논은 서로 고정되어 있습니다. 이는 하나의 포논이 전송되거나 반사된 것으로 감지하면 다른 포논도 동일한 상태에 있게 된다는 것을 의미합니다.

따라서 감지하면 항상 한 방향 또는 다른 방향으로 가는 두 개의 포논을 감지하게 되며, 한 방향으로 가는 포논은 결코 하나도 없습니다. 두 광자의 중첩과 간섭이 결합된 빛에 대한 동일한 효과를 1987년에 세 명의 물리학자가 처음 예측하고 관찰한 후 Hong-Ou-Mandel 효과라고 합니다. 이제 우리 그룹은 이 효과를 소리로 입증했습니다.

이러한 결과는 이제 포논을 사용하여 기계식 양자 컴퓨터를 구축하는 것이 가능할 수 있음을 시사합니다. 단일 광자의 방출, 감지 및 간섭만 필요한 광학 양자 컴퓨터를 구축하려는 노력이 계속되고 있습니다. 이는 많은 수의 얽힌 입자를 사용하여 많은 수의 인수분해 또는 양자 시스템 시뮬레이션과 같은 특정 문제에 대한 기하급수적인 속도 향상을 약속하는 전기 양자 컴퓨터를 구축하려는 노력과 병행됩니다.