포논은 퀀텀 워크를 한다

갇힌 이온의 사슬은 양자 계산을 포함한 복잡한 시스템을 시뮬레이션할 수 있다.

 

무작위 보행은 생물학에서 컴퓨터 과학, 수학에 이르는 분야에서 유용한 모델이다. 수평 1차원 보행기의 경우 각 단계는 오른쪽 또는 왼쪽으로 이동할 확률이 있다. 적절한 매개변수를 사용하면 예를 들어 입자가 확산하는 동안 이동하는 경로를 정확하게 설명할 수 있다. 무작위 보행의 양자 아날로그는 확률적 단계를 중첩으로 대체한다: 워커는 좌우로 걷는다. 각 단계마다 웨이브 패킷이 퍼지며 결국에는 자체를 방해한다.

양자 보행은 고전적인 것과 마찬가지로 다양하다. 그들은 양자 광학, 응집 물질 물리학, 양자 정보와 같은 분야에 응용된다. 실험적으로, 그것들은 일반적으로 도파관의 광자에 의해 실현되고 수행된다. 오사카 대학의 켄지 도요다와 그의 동료들은 이제 처음으로 진동의 양자인 포논을 이용한 양자 보행을 시연했다. 초저온 이온 간에 교환되는 포논은 원하는 위치에서 쉽게 생성되고 형광을 통해 편리하게 측정할 수 있는 장점이 있다.

도요다와 그의 연구팀은 광학적으로 4개의 칼슘 이온의 열을 그들의 기저 상태 에너지에 가깝게 그리고 약 20µm 간격으로 가둔다. 레이저는 트랩의 첫 번째 진동 상태로 이온을 들뜨게 한다. 즉, 한 부위에 포논을 도입한다. 그 포논은 입자들의 쿨롱 상호작용을 통해 이웃한 이온으로 점프한다. 각 단계에서 포논 파동 패킷은 중첩으로 분할되거나 가장자리에서 반사됩니다. 예를 들어, 이온 2에서 시작하는 포논은 이온 1과 이온 3으로 이동합니다. 포노네이션 3은 이온 2와 4로 이동하고, 포노네이션 1은 이온 2로 되돌아가는 경계에서 반사되어 다른 파장 패킷과 간섭한다. 연구진은 단일 사이트 분해능으로 최대 10ms 동안 포논의 이동 경로를 추적했는데, 이보다 더 오래 가열하면 다른 포논이 도입되어 결과가 엉망이 될 수 있다. 실험 간섭 패턴은 양자 보행에 대한 수치 결과와 일치했다.

그룹의 기술은 더 긴 이온 사슬 또는 2차원으로 확장될 수 있으며, 수치 계산은 부족합니다. 추가 포논의 도입으로 시스템은 또한 보손 샘플링으로 알려진 양자 컴퓨팅의 단순화된 시연을 실현할 수 있었다. 그것의 목표는 간섭계를 통해 전송되는 보손의 출력 분포를 예측하는 것이다. 도요다와 그의 동료들의 실험은 문제의 첫 단계인 간섭계의 모든 가능한 결과를 물리적으로 샘플링하는 것과 잘 일치한다.