Människor skapar mycket data i den digitala tidsåldern - oavsett om det är genom vardagliga artiklar som inlägg på sociala medier, e -post och Google -sökningar, eller mer komplex information om hälsa, ekonomi och vetenskapliga rön.

International Data Corp. rapporterade att den globala datasfären innehöll 33 zettabyte, eller 33 biljoner gigabyte, år 2018. År 2025, de räknar med att antalet växer till 175 zettabyte. 175 zettabyte med information lagrad på DVD -skivor skulle fylla tillräckligt med DVD -skivor för att cirkulera jorden 222 gånger.

Medan kvantberäkning har blivit framkallat som ett sätt att intelligent sortera igenom stora data, kvantmiljöer är svåra att skapa och underhålla. Intrasslade kvantbittillstånd, eller qubits, brukar vara mindre än en sekund innan de kollapsar. Qubits är också mycket känsliga för omgivande miljöer och måste förvaras vid kryogena temperaturer.

I ett papper publicerat i Kommunikationsfysik , forskare vid University of Arizona Department of Materials Science and Engineering har visat möjligheten för akustiska vågor i en klassisk miljö att utföra kvantinformationsbehandling utan tidsbegränsningar och bräcklighet.

"Vi skulle kunna köra vårt system i flera år, "sa Keith Runge, forskningsdirektör vid Institutionen för materialvetenskap och teknik och en av tidningens författare. "Det är så robust att vi kan ta det utanför till en mässa utan att det störs alls - tidigare i år, vi gjorde."

Materialvetenskap och ingenjörsforskning biträdande professor Arif Hasan ledde forskningen. Andra medförfattare inkluderar MSE forskningsassistent professor Lazaro Calderin; student Trevor Lata; Pierre Lucas, professor i MSE och optiska vetenskaper; och Pierre Deymier, MSE -avdelningschef, medlem i tillämpad matematik Graduate Interdisciplinary Program, och medlem i BIO5 Institute. Teamet arbetar med Tech Launch Arizona, UA:s kontor som kommersialiserar uppfinningar som härrör från forskning, att patentera sin enhet och undersöker kommersiella vägar för att föra innovationen till allmänheten.

Quantum Superposition

I klassisk databehandling, information lagras antingen som 0s eller 1s, på samma sätt som ett mynt måste landa på antingen huvuden eller svansarna. I kvantberäkning, qubits kan lagras i båda tillstånden samtidigt-en så kallad överlagring av tillstånd. Tänk på ett mynt balanserat på sin sida, snurrar så snabbt att både huvuden och svansen verkar dyka upp på en gång.

När qubits är intrasslade, allt som händer med en qubit påverkar den andra genom en princip som kallas icke -separerbarhet. Med andra ord, slå ner ett snurrande mynt på ett bord och ett annat snurrande mynt på samma bord faller ner, för. En princip som kallas icke -lokalitet håller partiklarna länkade även om de är långt ifrån varandra - slå ner ett snurrande mynt, och dess intrasslade motsvarighet på andra sidan av universum faller ner, för. De intrasslade qubiterna skapar ett Bell -tillstånd, där alla delar av ett kollektiv påverkas av varandra.

"Det här är nyckeln, för om du manipulerar bara en qubit, du manipulerar hela samlingen av qubits, "Sa Deymier." I en vanlig dator, du har många bitar av information lagrad som 0s eller 1s, och du måste ta upp var och en av dem. "

Från ljus till ljud

Men, som ett mynt som snurrar på kanten, kvantmekanik är ömtålig. Handlingen att mäta ett kvanttillstånd kan få länken att kollapsa, eller decohere - precis som att ta en bild av ett snurrande mynt kommer att innebära att fånga bara ena sidan av myntet. Det är därför qubit -tillstånd bara kan upprätthållas under korta perioder.

Men det finns en väg kring användningen av kvantmekanik för databehandling:Optiska forskare och elektriska och datatekniska forskare har visat förmågan att skapa system av fotoner, eller ljusenheter, som uppvisar oskiljbarhet utan icke -lokalitet. Även om icke -lokalitet är viktigt för specifika applikationer som kryptografi, det är den oskiljaktighet som spelar roll för applikationer som kvantberäkning. Och partiklar som är oskiljaktiga i klassiska Bell -tillstånd, snarare än intrasslad i ett kvant Bell -tillstånd, är mycket stabilare.

Materialvetenskapliga och tekniska teamet har tagit detta ett steg längre genom att för första gången visa att den klassiska oskiljbarheten kan tillämpas på akustiska vågor, inte bara ljusvågor. De använder phi-bitar, enheter som består av kvasipartiklar som kallas fononer som överför ljud- och värmeböljor.

"Ljuslasrar och enstaka fotoner är en del av fältfotoniken, men ljudvågor faller under fononets paraply, eller studier av fononer, "Deymier sa." Förutom att vara stabil, klassiskt intrasslade akustiska vågor är lätta att interagera med och manipulera. "

Komplex vetenskap, Enkla verktyg

Materialet för att visa ett så komplext koncept var enkelt, inklusive tre aluminiumstavar, tillräckligt med epoxi för att ansluta dem och några gummiband för elasticitet.

Forskare skickade en våg av ljudvibrationer ner på stavarna, övervakade sedan två frihetsgrader för vågorna:vilken riktning vågorna rörde sig ner på stavarna (framåt eller bakåt) och hur stavarna rörde sig i förhållande till varandra (om de vinkade i samma riktning och med liknande amplituder). För att excitera systemet till ett oskiljbart tillstånd, de identifierade en frekvens vid vilken dessa två frihetsgrader kopplades och skickade vågorna med den frekvensen. Resultatet? Ett Bell -tillstånd.

"Så, vi har ett akustiskt system som ger oss möjlighet att skapa dessa Bell -tillstånd, "Sade Deymier." Det är den fullständiga analogen till kvantmekanik. "

Att visa att detta är möjligt har öppnat dörren för att tillämpa klassisk oskiljbarhet på det framväxande fononområdet. Nästa, forskarna kommer att arbeta för att öka antalet frihetsgrader som klassiskt kan intrasslas - ju mer, desto bättre. De vill också utveckla algoritmer som kan använda dessa icke -separerbara tillstånd för att manipulera information.

När systemet har förfinats, de planerar att ändra storlek på den från bordsskivan ner till mikroskala, redo att distribuera på datorchips i datacenter runt om i världen.