使用聲波的工程師可以更穩(wěn)定 更輕松地搜索大數(shù)據(jù)

人類在數(shù)字時代創(chuàng)造了大量數(shù)據(jù) - 無論是通過社交媒體帖子，電子郵件和谷歌搜索等日常用品，還是有關(guān)健康，財務(wù)和科學發(fā)現(xiàn)的更復雜信息。

國際數(shù)據(jù)公司報告稱，2018年全球數(shù)據(jù)球包含33個zettabytes，即33萬億GB。到2025年，他們預計這個數(shù)字將增長到175 zettabytes。存儲在DVD上的175個zettabytes信息將填充足夠的DVD以圈出地球222次。

雖然量子計算被吹捧為智能分類大數(shù)據(jù)的一種方式，但量子環(huán)境很難創(chuàng)建和維護。糾纏量子比特狀態(tài)或量子比特通常在崩潰之前持續(xù)不到一秒鐘。Qubits對周圍環(huán)境也非常敏感，必須在低溫下儲存。

在通訊物理學發(fā)表的一篇論文中，亞利桑那大學材料科學與工程系的研究人員證明了在經(jīng)典環(huán)境中聲波可以在沒有時間限制和脆弱性的情況下進行量子信息處理工作。

“我們可以運行我們的系統(tǒng)多年，”材料科學與工程系研究主任，該論文的作者之一Keith Runge說。“它非常強大，我們可以把它帶到一個貿(mào)易展之外，而不會在今年早些時候受到干擾，我們做到了。”

材料科學與工程研究助理教授Arif Hasan領(lǐng)導了這項研究。其他合著者包括MSE研究助理教授Lazaro Calderin; 本科生Trevor Lata; 皮埃爾盧卡斯，MSE和光學科學教授; 和Pierre Deymier，MSE部門主管，應(yīng)用數(shù)學研究生跨學科項目成員，以及BIO5研究所成員。該團隊正在與亞利桑那州的Tech Launch辦公室合作，該辦公室將研究產(chǎn)生的發(fā)明商業(yè)化，為其設(shè)備申請專利，并正在調(diào)查商業(yè)途徑，以便將創(chuàng)新帶給公眾。

量子疊加

在經(jīng)典計算中，信息存儲為0或1，與硬幣必須落在頭部或尾部的方式相同。在量子計算中，量子比特可以同時存儲在兩種狀態(tài)中 - 即所謂的狀態(tài)疊加。想象一下側(cè)面平衡的硬幣，旋轉(zhuǎn)得如此之快，以至于頭部和尾部似乎同時出現(xiàn)。

當量子比特被糾纏時，一個量子比特發(fā)生的任何事物都會通過一種稱為不可分離性的原則影響另一個量子比特。換句話說，在桌子上擊倒一個旋轉(zhuǎn)硬幣，同一桌子上的另一個旋轉(zhuǎn)硬幣也倒下。一種稱為非局域性的原則即使它們相距很遠也能保持粒子的連接 - 擊倒一個旋轉(zhuǎn)的硬幣，而宇宙另一側(cè)的糾纏對應(yīng)物也會下降。糾纏的量子比特創(chuàng)造了一個貝爾狀態(tài)，其中一個集體的所有部分都相互影響。

“這很關(guān)鍵，因為如果你只操縱一個量子比特，那么你就是在操縱整個量子比特集合，”Deymier說。“在普通計算機中，你有許多信息存儲為0或1，你必須解決它們中的每一個。”

從光到聲

但是，就像硬幣在其邊緣旋轉(zhuǎn)一樣，量子力學是脆弱的。測量量子態(tài)的行為可能會導致鏈接崩潰或消失 - 就像拍一張旋轉(zhuǎn)硬幣的圖片意味著只捕獲硬幣的一面一樣。這就是為什么量子比特狀態(tài)只能維持很短的時間。

但是有一種方法可以使用量子力學進行數(shù)據(jù)處理：光學科學家和電子和計算機工程研究人員已經(jīng)證明了創(chuàng)建光子系統(tǒng)或光學系統(tǒng)的能力，這些系統(tǒng)在不具有非局域性的情況下表現(xiàn)出不可分離性。雖然非局域性對于密碼學等特定應(yīng)用非常重要，但對于量子計算等應(yīng)用來說，這是非易失性。在經(jīng)典貝爾狀態(tài)下不可分離的粒子，而不是糾纏在量子貝爾狀態(tài)，更加穩(wěn)定。

在材料科學和工程團隊已經(jīng)證明了第一次古典nonseparability可應(yīng)用于聲波，而不僅僅是光波采取這一一步。它們使用phi-bits，由稱為聲子的準粒子組成的單元，傳輸聲波和熱波。

“光激光和單光子是場光子學的一部分，但聲波也屬于聲學，或聲子的研究，”Deymier說。“除了穩(wěn)定之外，經(jīng)典糾纏的聲波很容易與之相互作用和操縱。”

復雜科學，簡單工具

展示如此復雜概念的材料很簡單，包括三根鋁棒，足夠的環(huán)氧樹脂連接它們和一些橡皮筋以增加彈性。

研究人員向桿發(fā)出一波聲音振動，然后監(jiān)測波的兩個自由度：波向下移動桿的方向(向前或向后)以及桿如何相對于彼此移動(無論它們是否在向外揮動)相同的方向和相似的幅度)。為了將系統(tǒng)激發(fā)到不可分離的狀態(tài)，他們確定了這兩個自由度相關(guān)聯(lián)的頻率，并以該頻率發(fā)送波。結(jié)果?貝爾州。

“所以，我們有一個聲學系統(tǒng)，可以讓我們創(chuàng)造出這些貝爾狀態(tài)，”Deymier說。“這是量子力學的完全模擬。”

證明這是可能的，這為在新興的聲學領(lǐng)域應(yīng)用經(jīng)典的不可分性打開了大門。接下來，研究人員將努力增加可以經(jīng)典糾纏的自由度 - 越多越好。他們還希望開發(fā)可以使用這些不可分離狀態(tài)來處理信息的算法。

一旦系統(tǒng)完善，他們計劃將其從桌面調(diào)整到微尺度，準備部署在世界各地的數(shù)據(jù)中心的計算機芯片上。