量子迴聲:以聲波存儲信息的革命性方法
量子計算與傳統計算一樣,需要一種方法來存儲其使用和處理的信息。在您現在使用的計算機中,信息–無論是狗狗的照片、朋友的生日提醒,還是您在瀏覽器地址欄中輸入的文字–都必須存儲在某個地方。量子計算作為一個相對較新的領域,仍在探索量子信息的存儲位置和方式。
加利福尼亞理工學院(Caltech)電子工程與應用物理學助理教授穆罕默德-米爾霍塞尼(Mohammad Mirhosseini)在最近發表在《自然-物理》(Nature Physics)雜誌上的一篇論文中,展示了他的實驗室開發的一種新方法,可以有效地將電量子態轉化為聲音,反之亦然。這種轉換可以存儲未來量子計算機所準備的量子信息,而未來的量子計算機很可能是由電路製成的。
Mohammad Mirhosseini 和他的團隊推出了一種創新方法,通過將電量子態轉化為聲音來存儲量子信息。這種新技術利用聲子,避免了以往方法的能量損失。它可以延長存儲時間,是量子計算領域的一大進步。圖片來源:Maayan Illustration
這種方法利用的是所謂的聲子,相當於光子這種光粒子的聲音。(在量子力學中,所有的波都是粒子,反之亦然)。該實驗研究利用聲子來存儲量子信息,因為製造能夠存儲這些機械波的小型設備相對容易。
要理解聲波如何存儲信息,可以想像一個迴聲極強的房間。現在,假設你需要記住下午的雜貨清單,於是你打開房間的門,大聲喊道:”雞蛋、培根和牛奶!”然後關上房門。一小時後,到了去雜貨店的時間,你打開門,把頭探進去,聽到自己的聲音還在迴響:”雞蛋、培根和牛奶!”你剛剛用聲波儲存了信息。
穆罕默德-米爾侯賽尼。資料來源:加州理工學院
當然,在現實世界中,這樣的迴聲不會持續太久,你的聲音最終可能會失真到連自己的話都聽不出來,更何況用整個房間來存儲一點點數據也太荒謬了。研究團隊的解決方案是一種由柔性板組成的微型裝置,這種柔性板會被極高頻率的聲波振動。當在這些板上放置電荷時,它們就能與攜帶量子信息的電信號相互作用。這樣,信息就可以通過管道輸入設備進行存儲,並通過管道輸出以供日後使用–這與本故事前面你大喊大叫進入房間的那扇門完全不同。
據穆罕默德-米爾霍塞尼介紹,以前的研究曾對一種被稱為壓電體的特殊材料進行過調查,以此作為在量子應用中將機械能轉化為電能的一種手段。
“然而,這些材料往往會造成電波和聲波的能量損失,而損失是量子世界的一大殺手,”Mirhosseini 說。相比之下,Mirhosseini 和他的團隊開發的新方法不受特定材料特性的影響,因此與基於微波的現有量子設備兼容。
論文的第一作者、米爾霍塞尼研究小組的研究生阿爾基姆-博茲庫爾特(Alkim Bozkurt)說:”對於從事量子應用研究的科研人員來說,製造體積小的有效存儲設備一直是另一個實際挑戰。不過,我們的方法能讓電路中的量子信息存儲時間比其他小型機械設備長兩個數量級。”