Znajdź zawartość

Naukowcy z University of Chicago’s Pritzker School of Molecular Engineering ogłosili, że za pomocą prostej modyfikacji aż o 10 000 razy wydłużyli czas trwania koherencji stanu kwantowego. Co prawda udało się to w dość szczególnym przypadku kubitów w ciele stałym, ale uczeni twierdzą, że ich technika powinna sprawdzić się też w wielu innych systemach kwantowych. To przełom, który kładzie podwaliny pod nowe badania w dziedzinie nauk kwantowych. Szeroka możliwość zastosowania tego odkrycia w połączeniu z niezwykle prostą implementacją wskazuje, że będzie to miało zastosowanie w wielu aspektach inżynierii kwantowej. Pozwala to na prowadzenie nowych rodzajów badań, które dotychczas były uważane za niepraktyczne, wyjaśnia główny autor badań, profesor David Awschalom. Stany kwantowe są niezwykle delikatne. Ulegają zniszczeniu pod wpływem oddziaływania z zewnątrz. Jeden ze sposobów na ich zachowanie jest fizyczne odizolowanie systemu od otoczenia, sposób drugi to tworzenie jak najbardziej czystych materiałów. Obie metody są trudne i kosztowne. Naukowcy z Chicago znaleźli trzeci sposób. Nie próbujemy wyeliminować szumu z otoczenia. Przekonujemy system, że nie doświadcza szumu, mówi jeden z badaczy, Kevin Miao. Naukowcy wykorzystali standardowe impulsy elektromagnetyczne używane do kontroli systemów kwantowych, ale dodatkowo zaaplikowali wciąż zmieniające się pole magnetyczne. Dzięki jego precyzyjnemu dostrojeniu byli w stanie szybko zmieniać spin elektronów, dzięki czemu system wyłącza szum. To tak, jakbyśmy siedzieli na karuzeli, a wokół byliby krzyczący ludzie. Jeśli karuzela się nie porusza, wszystko dobrze słyszymy. Jednak jeśli się bardzo szybko kręci, ich krzyki zlewają się z tłem, wyjaśnia Miao. Ta niewielka zmiana spowodowała, że koherencję systemu kwantowego udało się utrzymać przez 22 milisekundy. To 4 rzędy wielkości więcej niż dotychczasowy rekord utrzymania koherencji systemu opartego na spinie elektronu. Nowy system jest w stanie niemal całkowicie wyłączyć niektóre formy fluktuacji temperatury, wibracji czy zakłóceń elektromagnetycznych. Awschalom nie wyklucza, że nowy system uda się skalować. Powinno to pozwolić na opracowanie praktycznych metod przechowywania informacji w spinie elektronu. Przedłużony czas koherencji pozwoli zaś komputerowi kwantowemu na przeprowadzenie bardziej złożonych operacji, umożliwi przesłanie na dłuższe odległości informacji kantowej z urządzeń bazujących na spinie, stwierdza uczony. Naukowcy twierdzą też, że – w przeciwieństwie do wielu innych dotychczasowych technik – ich wynalazek można zastosować w wielu różnych systemach kwantowych. Wiele interesujących technologii kwantowych zostało odłożonych na półkę, gdyż nie udawało się w nich utrzymać koherencji przez odpowiednio długi czas. Teraz – dzięki znaczącemu wydłużeniu czasu koherencji – będzie można do nich wrócić. A najlepsze, że można to tak niewiarygodnie łatwo osiągnąć. Podstawy teoretyczne naszej techniki są bardzo skomplikowane, jednak sama technika polegająca na dodaniu zmieniającego się pola magnetycznego jest bardzo prosta, mówi Miao. « powrót do artykułu

Po dziesięciu latach pracy naukowcom z Princeton University udało się skonstruować system, który pozwala na kontrolowanie spinu elektronów w krzemie nawet przez 10 sekund. Wydłużenie czasu, w którym można kontrolować spin elektronów jest niezbędne do skonstruowania praktycznego komputera kwantowego. Dotychczas udawało się utrzymać spin elektronów przez ułamki sekund. Stany kwantowe są bardzo nietrwałe i pod wpływem czynników zewnętrznych dochodzi do ich utraty, czyli dekoherencji. Kwantowy bit, na którym mają pracować kwantowe komputery, traci swoje właściwości i staje się „zwykłym“ bitem, przyjmującym w danym momencie tylko jedną wartość, zamiast wcześniejszych wszystkich możliwych wartości. Profesor Stephen Lyon i Alexei Tyryshkin, który są autorami najnowszego osiągnięcia, mówią, że kluczem do sukcesu było użycie niezwykle czystej próbki krzemu-28. Częściowo zawdzięczamy to udoskonaleniu metody pomiaru, ale większość zależy od materiału. To najczystsza próbka, jakiej dotychczas używaliśmy - mówi Lyon. Naukowcy zamknęli kawałek krzemu-28 w stalowym cylindrze wypełnionym helem. Wewnątrz panowała temperatura 2 kelwinów. Cylinder znajdował się pomiędzy dwoma pierścieniami, które miały za zadanie kontrolować pole magnetyczne wokół próbki. Po potraktowaniu krzemu mikrofalami doszło do skoordynowania spinów około 100 miliardów elektronów. Zaszła zatem koherencja i została ona utrzymana przez niewiarygodnie długie 10 sekund. Jej utrzymanie jest niezwykle ważne dla komputerów kwantowych, gdyż działające na nich oprogramowanie będzie potrzebowało czasu np. na korekcję błędów czy i operacje na danych. Muszą być one zatem dostępne na tyle długo, by program zakończył pracę z nimi. Stan kwantowy może zostać zniszczony przez naturalne pole magnetyczne materiałów. Dlatego też zdecydowano się na wykorzystanie krzemu-28, który, w przeciwieństwie do tradycyjnie używanego krzemu-25 ma niezwykle słabe pole magnetyczne. Projekt rozpoczął się 10 lat temu. Steve przyszedł do mnie i powiedział, żebyśmy wykorzystali próbkę wolną od innych izotopów - wspomina Tyryshkin. Po trzech latach badań uczeni byli wstanie utrzymać koherencję przez 600 mikrosekund. Przez kolejne lata wypróbowywali różne materiały. W końcu dzięki Avogadro Project, którego celem jest opracowanie nowej definicji kilograma, udało się uzyskać próbkę niezwykle czystego krzemu-28. Międzynarodowa współpraca dała niezwykłe wyniki. Zwykle w krzemie-28 znajduje się nawet 50000 części na milion krzemu-29, do tego dochodzą inne zanieczyszczenia, które mają silne pole magnetyczne. W oczyszczonym krzemie-28 liczba atomów krzemu-29 nie przekracza 50 na milion. Taka próbka była... zbyt czysta. Dodano do niej nieco fosforu, by była ona na tyle aktywna elektrycznie, żeby reagować na mikrofale. To właśnie ta reakcja, którą Lyon i Tyryshkin nazywają „echem“, gdyż są to mikrofale emitowane przez próbkę, pozwala na odczytanie spinu elektronów. Bardzo trudne było znalezienie odpowiedniej liczby atomów fosforu. Ich zbyt duża liczba oznaczałaby powstanie w próbce zbyt silnego pola magnetycznnego. Z kolei za mało fosforu dałoby zbyt słabe „echo“, którego nie można by odczytać. Istotne było też znaczne obniżenie temperatury próbki, gdyż w temperaturze pokojowej elektrony fosforu są zbyt aktywne. „Uspokajają się“ dopiero w temperaturze bliskiej zeru absolutnemu. Warto w tym miejscu przypomnieć, że już wcześniej innym zespołom naukowym udało się kontrolować spin elektronów przez równie długi czas. Wykonano nawet pewne operacje matematyczne. Jednak do eksperymentów używano jonów zamkniętych w komorach próżniowych. Lyon i Tyryshkin skupili się na krzemie, gdyż uważają, że jest on znacznie bardziej praktyczny. Współczesna elektronika już wiele dekad temu zrezygnowała przecież z lamp elektronowych na rzecz krzemu.

Akademicy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara poinformowali o dokonaniu przełomowego odkrycia na polu kwantowego kontrolowania fotonów. Ich prace mogą mieć olbrzymie znaczenie na drodze do stworzenia komputerów kwantowych. Fizycy Max Hofheinz, John Martinis i Andrew Cleland opisali w jaki sposób użyli nadprzewodzącego złącza Josephsona do przygotowania rzadko spotykanych stanów kwantowych za pomocą promieniowania mikrofalowego. Naukowcy zamknęli fotony w mikrofalowej pułapce, w której światło odbija się w tę i z powrotem. Już wcześniej w takich pułapkach zamykali do 15 fotonów. Teraz udowodnili, że jednocześnie mogą zamknąć tam różną ich liczbę (0, 3 i 6). Stan kwantowy takiej pułapki można zmierzyć licząc fotony. Jednak, zanim je policzymy, pułapka znajduje się w kwantowej superpozycji, co oznacza, że przechowywane są w niej wszystkie możliwe rozwiązania, czyli 0,3 i 6. Cleland wyjaśnia: "superpozycja to podstawowe pojęcie mechaniki kwantowej. Po raz pierwszy udało się ją osiągnąć w sposób kontrolowany dzięki światłu. Naszą pułapkę można opisać jako kwantowy konwerter sygnału cyfrowego do analogowego". Konwertery takie są podstawowymi elementami współczesnych systemów komunikacyjnych. Prace naukowców z UCSB dają zatem nadzieję na rozwój kwantowej telekomunikacji.

Jeśli dodamy zero do zera czy też pomnożymy 0 razy 0, to zwykle otrzymamy 0. Jednak, jak twierdzą badacze IBM-a, nie zawsze tak jest. Specjaliści z Thomas J. Watson Research Center zaprezentowali teoretyczną pracę dotyczącą przesyłania kwantowych informacji. Gdy wyślemy taką informację, czyli foton, światłowodem, w którym nie występują żadne zakłócenia, będziemy mogli odczytać ją, a więc odczytać stan fotonu, na drugim końcu przewodu. Inżynierowie Błękitnego Giganta proponują jednak inne rozwiązanie. Ich zdaniem można wysłać dwa splątane fotony dwoma oddzielnymi kablami, w których występują duże zakłócenia. Gdy fotony dotrą na miejsce, z żadnego ze światłowodów nie będziemy w stanie odczytać informacji, gdyż zostanie ona zniekształcona przez zakłócenia. Jednak z obu kabli jednocześnie informacja może zostać odczytana. Jeśli te teoretyczne rozważania uda się potwierdzić, to z jednej strony będzie można je wykorzystać w szyfrowaniu kwantowym, a z drugiej - ułatwi to budowę kwantowych komputerów. Jednak, jak przyznaje sam Graeme Smith, jeden z autorów wspomnianego dokumentu, teoria ta stawia więcej pytań, niż przynosi odpowiedzi. Jedna z interpretacji tego zjawiska jest taka, że oba fotony niosą różne rodzaje informacji. Jeśli tak jest w rzeczywistości, to pod znakiem zapytania staje dotychczasowe przekonanie specjalistów o tym, że informacja kwantowa nie jest podzielna na mniejsze składowe. Rozważania są oczywiście czysto teoretyczne, jednak teoria pochodzi z bardzo poważanego źródła, przez co może przewrócić do góry nogami niektóre przekonania. Patrick Hayden, profesor z McGill University, mówi, że badacze IBM-a otworzyli puszkę Pandory. Ich teoria tak mocno uderza w instytucję, w której pracuję, że muszę mieć więcej czasu na zastanowienie się nad nią - mówi Hayden. Dodaje przy tym: najbardziej wstrząsające jest to, że można połączyć dwie bezużyteczne rzeczy i powstanie rzecz użyteczna. Zdaniem profesora z teorii pracowników Błękitnego Giganta może powstać szersza teoria kwantowej synergii oraz nowe technologie rozwiązujące problem zakłóceń w komunikacji kwantowej. Sami autorzy mówią, że o ile ich teoria wygląda bardzo interesująco, to chcieliby zbudować coś praktycznego, co pozwoliłoby ją potwierdzić.