Fizikçiler, “kötü” bir akustik ayna kullanarak, bir gün fonon tabanlı kuantum mantık kapıları oluşturmak için kullanılabilecek bir araç olan fonon ışın ayırıcısını gösteriyor.
Sesin Kuantize Parçaçıkları Fononlar
Optik laboratuvarlarının çoğunda, bir foton akışını ya da kuantize ışık parçacıklarını ikiye bölen en az bir ışın ayırıcı bulunur. Ancak kuantize ses parçacıkları olan fononları araştıran laboratuvarlarda bu “yoldaki kuantum çatalları” yoktur. Chicago Üniversitesi’nden Andrew Cleland ve arkadaşları bir fonon ışını ayırıcısı sergileyerek bu boşluğu doldurdular. Bu aygıt gelecekte fonon tabanlı kuantum hesaplama sistemlerinde rol oynayabilir.
Bir foton ışını ayırıcısını, ışığı yalnızca bazen, genellikle zamanın %50’sinde yansıtan bir ayna olarak düşünebilirsiniz. Gelen fotonlar ya geri seker ya da ileri sekebilir. Bu iki olasılık fotonlara, iki foton arasında girişim ya da birkaç foton arasında dolanıklık yaratmak için kullanılabilecek ayrı rotalar sağlar.
Birlikte titreşen birçok atomdan oluşan fononlar da dahil olmak üzere tüm kuantum nesneleri aynı bölünmeyi yapabilmelidir. Cleland’a göre temel bilimsel zorluk, bu bağlamda yaklaşık 1015 atomun hareketliliğini temsil eden fononların gerçekte kuantum teorisinin öngördüğü gibi davranıp davranmadığıdır.
Yakın zamanda Cleland ve ekibi, bir dizi kuantum etkisini göstermek için fononları kullandı. Bu sonuca ulaşmak için tekli fonon yayabilen ve tespit edebilenler de dahil olmak üzere birçok fonon cihazı yaratmak zorunda kaldılar. Fonon ayırıcı bu süreçteki bir sonraki ilerlemedir. Cleland, gerçekte bir ışın bölücünün “sadece kötü bir ayna” olduğunu iddia ediyor. Bunları yapmanın o kadar da zor olmadığını gözlemliyor. Bunun yerine, cihazı tek fonon kaynakları ve dedektörleriyle birleştirmek bir sorun teşkil ediyor.
Yüzey akustik dalgaları (SAW’lar) ya da bir yüzeyin üst kısmı boyunca hareket eden fononlar, araştırmacılar tarafından fonon ışını bölünmesini göstermek için kullanıldı. Fononların her iki yönde de hareket etmesine izin veren 2 mm uzunluğunda bir lityum niobat kanal ile başladılar. Süper iletken kübitler sırasıyla kanalın sol ve sağ uçlarına yerleştirildi. Her kubite bir dönüştürücü takılarak tek fonon emisyonu ve tespiti mümkün kılındı.
Bilim insanları, 16 ince metal çubuk ya da “parmaktan” oluşan tarak benzeri bir yapı olan ışın ayırıcıyı kanalın ortasına yerleştirdiler. Gelen akustik enerjinin yaklaşık %3’ü her bir parmak tarafından yansıtılıyor. Bu yapı, yansımalar aynı fazda olduğunda tutarlı bir ayna işlevi görerek enerjinin yüzde 48’ini ya da kabaca yarısını yansıtıyor.
Işın ayırıcı ilk olarak sol kübit tek bir fonon salacak şekilde yapılandırılmış aparatla test edildi. Araştırmacılar, fononun ışın ayırıcı ile etkileşiminin ardından sol kubite yansıma ya da sağ kubite iletilme şansının yaklaşık 50/50 olduğunu keşfetti. Kuantum mekaniği yasalarına göre, bu iki olasılık, bir ölçüm yapılana kadar süren sola hareket eden fonon ve sağa hareket eden fonon durumunda üst üste bindirilir.
Ekip ayrıca, her iki kübitin de aynı anda fonon saldığı geleneksel bir girişim testi gerçekleştirdi. Bu durumda, ya her iki fonon da ışın ayırıcıdan sola doğru çıkacak ya da her iki fonon da sağa doğru çıkacaktır. Sonuçlar, bu tür iki fononlu girişimin gerçekleştiğini kanıtladı.
Batı Avustralya Üniversitesi’nde kuantum teknolojileri konusunda uzmanlaşmış bir araştırmacı olan Michael Tobar, “Bence bu harika bir çalışma” diye ekliyor. Bu çalışma, fononların da fotonlar gibi “kuantum” bir şekilde davrandığını gösteriyor.
Cleland’a göre ışın ayırıcı, bölünmüş fononların kendi başlarına kübit olarak işlev görebileceği bir mantık kapısına dahil edilebilir. Optik bir kuantum bilgisayar geliştirmek amacıyla araştırmacılar fotonları kullanan karşılaştırılabilir sistemler inşa ettiler. Tamamen fonon tabanlı bir kuantum bilgisayarın yakın bir zamanda geliştirilmesi beklenmese de Cleland, fononların süper iletken kübitlerle etkileşime girme kolaylığının, fononların gelecekteki bir hibrit kuantum bilgisayarda rol oynayabileceği ihtimalini artırdığını belirtiyor.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/98
