Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Kwantowe komputery mogą korzystać z bizmutu

Recommended Posts

Uczeni z University College London (UCL) oraz florydzkiego National High Magnetic Field Lab (NHMFL) dowodzą, że bizmut znacznie lepiej nadaje się do produkcji układów spintronicznych niż faworyzowany fosfor.

Bizmut jest kompatybilny z krzemem, jednak pierwiastkiem tym się praktycznie nie zajmowano. Wysiłki specjalistów pracujących nad spintroniką skupiły się wokół fosforu dlatego, że już obecnie jest on używany w krzemie.

Brytyjscy i amerykańscy uczeni odkryli, że bizmut jest znacznie lepszym materiałem niż fosfor. Bizmut to najcięższy stabilny atom. I o ile fosfor daje nam do dyspozycji dwie wartości spinu, to bizmut na 5 orbitalach może przechowywać po 2 wartości, pozwalając na zapisanie danych w 10 kierunkach spinu. To z kolei czyni bizmut znacznie lepszym niż fosfor kandydatem na materiał wykorzystywany w komputerach kwantowych.

Uczeni z UCL i NHMFL proponują połączenie zalet obu pierwiastków. W ich koncepcji bizmut służyłby do przechowywania danych, a fosfor do kontroli ich przepływu.

Główny autor badań, doktor Gavin Morley z UCL stwierdził: Podczas badań pokonaliśmy takie przeszkody jak użycie bizmutu do przygotowania, kontroli i przechowywania kwantowej informacji. W tym przypadku większy znaczy lepszy gdyż większe jądro atomu bizmutu zapewnia więcej miejsca na przechowywanie kwantowej informacji.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Scharakteryzowanie i optymalizacja obliczeń kwantowych wykonywanych przez kubity, czyli podstawowe jednostki komputera kwantowego to zadanie, jakie postawili przed sobą polscy fizycy i informatycy, zrzeszeni w projekcie TEAM-NET, kierowanym przez prof. Marka Kusia. Rezultaty ich badań będą kolejną cegiełką dołożoną do budowy komputera kwantowego, nad którym usilnie pracują naukowcy i przedsiębiorstwa z całego świata. Na realizację projektu TEAM-NET uczeni otrzymali dofinansowanie od Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, w wysokości ponad 17 mln zł.
      Czym jest komputer kwantowy i czym różni się od komputera klasycznego? We współcześnie używanych na co dzień komputerach dane są zapisywane w systemie binarnym czyli poprzez sekwencje bitów, z których każdy znajduje się w jednym z dwóch stanów: 0 lub 1. Grupy takich bitów są przesyłane między różnymi podzespołami jednego komputera lub też między różnymi komputerami w sieci. Co istotne, komputer klasyczny wykonuje operacje w określonej kolejności, jedna po drugiej, i nie jest w stanie wykonywać kilku czynności jednocześnie. Dlatego im bardziej złożone jest zadanie, tym dłużej trwa szukanie rozwiązań, a do rozwiązania wielu ze współczesnych problemów moc obliczeniowa klasycznych komputerów jest już wręcz niewystarczająca.
      Kilka sekund zamiast kilku lat dzięki kubitom
      Komputery kwantowe pozwolą rozwiązywać skomplikowane problemy z wielu dziedzin nauki i przemysłu dużo szybciej i efektywniej niż najlepsze komputery klasyczne. W ciągu kilka sekund potrafią one wykonać obliczenia, które komputerowi klasycznemu mogą zająć nawet kilka lat – tłumaczy prof. Centrum Fizyki Teoretycznej PAN w Warszawie, czyli ośrodka będącego liderem projektu TEAM-NET. A to dlatego, że w komputerach kwantowych informacje zapisywane są w kubitach (od angielskiego quantum bit). Kubit od zwykłego bitu różni się tym, że nie ma ustalonej wartości 0 lub 1, ale zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej znajduje się w stanie pośrednim, nazywanym superpozycją. Oznacza to, że jednocześnie znajduje się i w stanie 0, i w stanie 1. A zatem, kubit niesie w sobie znacznie więcej informacji niż zero-jedynkowy bit. Na dodatek, kubity mogą być ze sobą splątane: dwa kubity to już cztery splątane ze sobą wartości, trzy kubity – osiem wartości, i tak dalej. Stanów pojedynczych kubitów  nie można traktować jako niezależnych, bo zmiana jednego wpływa na wszystkie pozostałe. Właśnie dzięki splątaniu kubitów, komputer kwantowy może wykonywać obliczenia na wszystkich wartościach jednocześnie, co daje mu potężną moc obliczeniową. Choć sprawa komplikuje się z uwagi na konieczność „odczytania” wyników takiego obliczenia, co nieuchronnie niszczy stan kwantowy.
      Komputer kwantowy, gdy już powstanie, pozwoli na błyskawiczne wyszukiwanie potrzebnych informacji w ogromnych ilościach danych oraz umożliwi przeprowadzanie najbardziej skomplikowanych, wielopłaszczyznowych symulacji z nieograniczoną liczbą czynników. Technologia ta z pewnością znajdzie zastosowanie w naukach o życiu, medycynie i przemyśle farmaceutycznym, gdzie posłuży do odkrywania nowych leków. Innym sektorem oczekującym na powstanie komputerów kwantowych jest bankowość i cała branża finansowa, która skorzysta m.in. na możliwości doskonałego symulowania zachowań giełdy.
      Kruchość kubitów
      W tej chwili nie możemy jednak określić, kiedy powstanie komputer kwantowy. Wciąż mierzymy się z wieloma bardzo poważnymi ograniczeniami i nie wiadomo, kiedy uda się je przezwyciężyć. Konstrukcja działającego komputera kwantowego jest niezwykle trudna choćby ze względu na nieunikniony wpływ szumu i dekoherencji układów kwantowych – podkreśla prof. Marek Kuś.
      Chodzi o to, że kubity są bardzo niestabilne i ekstremalnie wrażliwe na wpływ otoczenia. Nawet najdrobniejsze wahania temperatury, hałasu, ciśnienia czy pola magnetycznego mogą prowadzić do wybicia kubitów ze stanu współzależnych superpozycji, czyli do zjawiska określanego przez fizyków jako dekoherencja. Jeśli kubity nie utrzymują stanu superpozycji, dochodzi do błędów w obliczeniach, a im więcej kubitów połączymy, tym więcej takich błędów będzie generowanych. Obecnie kubity mogą utrzymać swój stan kwantowy tylko przez około 100 mikrosekund, zanim dojdzie do dekoherencji. Z tego powodu komputery kwantowe muszą znajdować się w specjalnie przygotowanym środowisku. Wymagają m.in. chłodzenia na poziomie temperatury bliskiej zera bezwzględnego oraz umieszczenia w wysokiej próżni, pod ciśnieniem 10 mld razy niższym niż ciśnienie atmosferyczne.
      Oznacza to, że komputery kwantowe szybko nie zagoszczą w naszych domach czy biurach. W niedalekiej przyszłości możemy się spodziewać natomiast urządzeń zbudowanych z niewielu niedoskonałych kubitów. Nasz projekt ma na celu scharakteryzowanie mocy obliczeniowej i zbadanie możliwych praktycznych zastosowań takich urządzeń. Skupiać się będziemy nie na budowie samego urządzenia, ale na przetestowaniu jego oprogramowania i scharakteryzowaniu algorytmów, które zoptymalizują jego działanie. Aby zrealizować ten cel, utworzymy sieć współpracujących ze sobą czterech grup badawczych, zajmujących się nowatorskimi aspektami obliczeń kwantowych: kwantowym uczeniem maszynowym, kontrolą złożonych układów kwantowych, kwantową korekcją błędów i problemem identyfikacji zasobów odpowiedzialnych za tzw. przyspieszenie kwantowe – precyzuje prof. Marek Kuś. W skład konsorcjum naukowego wejdą, oprócz Centrum Fizyki Teoretycznej PAN w Warszawie, także Wydział Nauk Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Instytut Informatyki Teoretycznej i Stosowanej PAN w Gliwicach.
      O programie TEAM-NET
      Program TEAM-NET Fundacji na rzecz Nauki Polskiej pozwala na sfinansowanie interdyscyplinarnych badań naukowych, realizowanych przez sieć współpracujących zespołów badawczych, kierowanych przez wybitnych, doświadczonych naukowców. Celem tego programu jest, oprócz umożliwienia prowadzenia w Polsce nowatorskich badań naukowych, także wzmocnienie ponadregionalnej współpracy pomiędzy jednostkami naukowymi oraz budowanie kompetencji dotyczących wykorzystywania dostępnej infrastruktury i usług badawczych. Zgodnie z założeniami konkursowymi, budżet każdego zgłoszonego projektu badawczego może wynosić do 3,5 mln zł na zespół na 36 miesięcy. Finansowanie może być przyznane na okres od 36 do 48 miesięcy.
      Nabór wniosków do konkursu TEAM-NET był prowadzony w październiku 2018 r., a w marcu 2019 r. Fundacja na rzecz Nauki Polskiej ogłosiła jego wyniki. Do konkursu zgłoszono 39 projektów, z których po ocenie merytorycznej 11 otrzymało dofinansowanie, na łączną kwotę ponad 201 mln zł.
      Konkurs TEAM-NET jest realizowany przez FNP ze środków UE pochodzących z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Rozwój spintroniki zależy od materiałów gwarantujących kontrolę nad przepływem prądów spolaryzowanych magnetycznie. Trudno jednak mówić o kontroli, gdy nieznane są szczegóły transportu ciepła przez złącza między materiałami. Cieplna luka w naszej wiedzy została właśnie wypełniona dzięki polsko-niemieckiemu zespołowi fizyków, który po raz pierwszy dokładnie opisał zjawiska dynamiczne zachodzące na złączu między ferromagnetykiem a półprzewodnikiem.
      Spintronika to następczyni wszechobecnej elektroniki. W urządzeniach spintronicznych prądy elektryczne próbuje się zastępować prądami spinowymi. Obiecującym materiałem dla tego typu zastosowań wydaje się być złącze arsenku galu z krzemianem żelaza: na każde cztery elektrony przepływające przez złącze aż trzy niosą tu informację o kierunku momentu magnetycznego. Do tej pory niewiele było jednak wiadomo, jak zmieniają się właściwości dynamiczne złącza, decydujące o przepływie ciepła. Połączenie sił Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie, Instytutu Technologicznego w Karlsruhe (KIT), Instytutu Paula Drudego w Berlinie i ośrodka badawczego DESY w Hamburgu pozwoliło tę zagadkę wreszcie rozwiązać.
      Układy z krzemianu żelaza Fe3Si i arsenku galu GaAs są szczególne. Oba materiały znacznie różnią się właściwościami: pierwszy jest bardzo dobrym ferromagnetykiem, drugi to półprzewodnik. Natomiast stałe sieci, czyli charakterystyczne odległości między atomami, w obu materiałach różnią się zaledwie o 0,2%, są więc niemal identyczne. W rezultacie materiały te świetnie się łączą, a na złączach nie ma defektów ani znaczących naprężeń - mówi dr hab. Przemysław Piekarz (IFJ PAN).
      Grupa skoncentrowała się na przygotowaniu teoretycznego modelu drgań sieci krystalicznych w badanym złączu. Istotną rolę odegrało tu oprogramowanie PHONON, stworzone i od ponad 20 lat rozwijane przez prof. dr hab. Krzysztofa Parlińskiego (IFJ PAN). W oparciu o podstawowe prawa mechaniki kwantowej wyliczane są tu siły oddziaływań między atomami, co pozwala rozwiązywać równania opisujące ruch atomów w sieciach krystalicznych.
      Dr hab. Małgorzata Sternik (IFJ PAN), która wykonała większość obliczeń, wyjaśnia: W naszym modelu podłożem jest arsenek galu, którego najbardziej zewnętrzna warstwa składa się z atomów arsenu. Nad nią znajdują się naprzemiennie ułożone warstwy z atomami żelaza i krzemu oraz samego żelaza. Drgania atomowe wyglądają inaczej dla litego kryształu, a inaczej w pobliżu interfejsu. Dlatego badaliśmy, jak zmienia się widmo drgań w zależności od odległości od interfejsu.
      Dynamika atomów w kryształach nie jest przypadkowa. Materiały te charakteryzują się dużym uporządkowaniem. W efekcie ruch atomów nie jest tu chaotyczny, lecz podlega pewnym, niekiedy bardzo złożonym wzorcom. Za transport ciepła odpowiadają głównie fale akustyczne poprzeczne. Oznacza to, że przy analizie dynamiki sieci badacze musieli ze szczególną uwagą przyglądać się drganiom atomowym zachodzącym w płaszczyźnie równoległej do złącza. Gdyby fale drgań atomów w obu materiałach były do siebie dopasowane, ciepło efektywnie przepływałoby przez złącze.
      Próbki materiałów Ge/Fe3Si/GaAs, zawierające różną liczbę monowarstw krzemianu żelaza (3, 6, 8 oraz 36), zostały przygotowane w Instytucie Paula Drudego przez Jochena Kalta, doktoranta w Instytucie Technologicznym w Karlsruhe. Same doświadczenia zrealizowano w synchrotronie Petra III, na linii pomiarowej Dynamics Beamline P01 w ośrodku DESY.
      Pomiar widma drgań atomowych w ultracienkich warstwach jest wielkim wyzwaniem dla fizyków ciała stałego - mówi kierujący eksperymentem dr Svetoslav Stankov (KIT) i dodaje: Dzięki wyjątkowym własnościom promieniowania synchrotronowego, potrafimy obecnie za pomocą nieelastycznego rozpraszania jądrowego wyznaczać z dużą rozdzielczością widmo drgań atomowych w nanostrukturach. W naszych pomiarach wiązka promieniowania synchrotronowego padała na złącze w kierunku praktycznie równoległym do jego powierzchni. Takie ustawienie gwarantowało możliwość obserwacji drgań atomowych zachodzących równolegle do złącza. Co więcej, jest to pomiar selektywny dla atomów żelaza, bez zaburzenia pochodzącego od tła.
      Okazało się, że mimo podobieństw struktury krystalicznej obu materiałów, drgania atomów w pobliżu interfejsu znacznie różnią się od tych w litym materiale. Obliczenia z pierwszych zasad doskonale pokryły się z wynikami eksperymentalnymi, odtwarzając nowe cechy w widmach drgań atomów.
      Niemal doskonała zgodność teorii z eksperymentem otwiera drogę do nanoinżynierii fononowej, która może doprowadzić do powstania bardziej wydajnych urządzeń termoelektrycznych i efektywnego zarządzania przepływem ciepła - podsumowuje dr Stankov.
      Złącze Fe3Si/GaAs okazało się doskonałym układem do badania własności dynamicznych i spintronicznych. W przyszłości zespół naukowców, finansowany przez Narodowe Centrum Nauki (2017/25/B/ST3/02586), Helmholtz Association (HGF, VH-NG-625) i German Ministry for Research and Education (BMBF, 05K16VK4), zamierza rozszerzyć zakres badań interfejsu w celu dokładnego poznania jego własności elektronowych i magnetycznych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Międzynarodowa grupa naukowa pracująca pod przewodnictwem inżynierów z Narodowego Uniwersytetu Singapuru opracowała nowe urządzenie spintroniczne do manipulowania cyfrową informacją. Jest ono 20-krotnie bardziej wydajne i 10-krotnie bardziej stabilne niż dostępne obecnie rozwiązania komercyjne. Nowe urządzenie zostało opracowane we współpracy z naukowcami z Instytutu Technologicznego Toyoty oraz Uniwersytetu Koreańskiego.
      Nasze odkrycie może stać się nową platformą rozwojową dla przemysłu spintronicznego, który obecnie zmaga się z problemami związanymi z niestabilnością i skalowalnością, gdyż wykorzystuje się tutaj bardzo cienkie elementy magnetyczne, mówi profesor Yang Hyunso z Singapuru.
      Obecnie na świecie powstają olbrzymie ilości cyfrowych informacji. Istnieje więc duże zapotrzebowanie na tanie, energooszczędne, stabilne i skalowalne produkty do przechowywania tej informacji i manipulowania nią. Stawiane warunki mogłyby spełniać materiały spintroniczne bazujące na rozwiązaniach ferromagnetycznych. Jednak wciąż są one bardzo drogie z powodu problemów ze skalowalnością i stabilnością. Układy pamięci bazujące na ferromagnetykach nie mogą mieć grubości większej niż kilka nanometrów, gdyż efektywność ich okablowania wykładniczo spada wraz z rosnącą grubością. Zaś obecna grubość jest niewystarczająca, by zapewnić stabilne przechowywanie danych w warunkach naturalnie wahających się temperatur, wyjaśnia doktor Yu Jiawei.
      Uczeni, aby poradzić sobie z tym problemem, zaprzęgli do pracy materiały ferrimagnetyczne. Zauważyli, że mogą być one 10-krotnie grubsze niż materiały ferromagnetyczne i nie wpływa to na ich wydajność. W ferrimagnetykach spin elektronów napotyka na minimalne opory. To jest taka różnica, jakbyśmy jechali samochodem drogą 8-pasmową, w porównaniu do jazdy 1-pasmową ulicą w mieście. Dla spinu ferromagnetyk to jak wąska ulica w mieście, zaś ferrimagnetyk jest jak szeroka autostrada, mówi jeden z badaczy, Rahul Mishra.
      Pamięć stworzona z materiału ferrimagnetycznego okazała się 10-krotnie bardziej stabilna i 20-krotnie bardziej wydajna niż pamięć z ferromagnetyku. Zdaniem profesora Yanga, za różnicę w wydajności odpowiada unikatowe uporządkowanie atomów.W ferrimagnetykach sąsiadujące ze sobą domeny magnetyczne są zwrócone do siebie przeciwnymi znakami. Zaburzenia spinu powodowane przez jeden atom, są kompensowane przez sąsiedni. Dzięki temu informacja może przepływać szybciej, dalej i przy mniejszym zużyciu energii, stwierdził.
      Na kolejnym etapie badań naukowcy przyjrzą się już nie tylko problemowi przesyłania informacji w ferrimagnetykach, ale zbadają też tempo jej odczytu i zapisu. Spodziewają się, że będzie ono niezwykle szybkie. Chcą też rozpocząć współpracę z przemysłem, by ich wynalazek jak najszybciej trafił do praktycznego użycia.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Podczas odbywającego się właśnie dorocznego spotkania Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego specjaliści z IBM-a poinformowali o dokonaniu trzech przełomowych kroków, dzięki którym zbudowanie komputera kwantowego stanie się możliwe jeszcze za naszego życia.
      Jednym z najważniejszych wyzwań stojących przed ekspertami zajmującymi się kwantowymi komputerami jest dekoherencja. To wywołana oddziaływaniem czynników zewnętrznych utrata właściwości kwantowych przez kubity - kwantowe bity. Koherencja wprowadza błędy do obliczeń kwantowych. Jednak jeśli udałoby się utrzymać kwantowe bity przez wystarczająco długi czas można by przeprowadzić korektę błędów.
      Eksperci z IBM-a eksperymentowali ostatnio z „trójwymiarowymi“ nadprzewodzącymi kubitami, które zostały opracowane na Yale University. Ich prace pozwoliły na dokonanie przełomu. Udało się im utrzymać stan kwantowy kubitu przez 100 mikrosekund. To 2 do 4 razy więcej niż poprzednie rekordy. A co najważniejsze, to na tyle długo by przeprowadzić korekcję błędów na kubitach 3D.
      Drugi z przełomowych kroków to powstrzymanie dekoherencji zwykłego „dwuwymiarowego“ kubitu przez 10 mikrosekund. W przypadku takich kubitów wystarczy to do przeprowadzenia korekcji błędów.
      Utrzymanie przez tak długi czas kubitu pozwoliło na dokonanie trzeciego z przełomów. Udało się bowiem przeprowadzić na dwóch kubitach operację CNOT (controlled-NOT) z dokładnością 95-98 procent. To niezwykle ważne osiągnięcie, gdyż bramka CNOT w połączeniu z prostszymi bramkami kubitowymi może być skonfigurowana do przeprowadzenia dowolnej operacji logicznej.
      Od połowy 2009 roku IBM udoskonalił wiele technik związanych z komputerami kwantowymi. Najprzeróżniejsze aspekty związane z takimi maszynami udoskonalono od 100 do 1000 razy. W sumie wszystkie te techniki są bardzo bliskie spełnienia minimalnych wymagań stawianych przed praktycznym komputerem kwantowym.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Wynikiem współpracy uczonych z Purdue University, University of New South Wales i University of Melbourne jest najmniejszy tranzystor na świecie. Urządzenie zbudowane jest z pojedynczego atomu fosforu. Tranzystor nie tyle udoskonali współczesną technologię, co pozwoli na zbudowanie zupełnie nowych urządzeń.
      To piękny przykład kontrolowania materii w skali atomowej i zbudowania dzięki temu urządzenia. Pięćdziesiąt lat temu gdy powstał pierwszy tranzystor nikt nie mógł przewidzieć, jaką rolę odegrają komputery. Teraz przeszliśmy do skali atomowej i rozwijamy nowy paradygmat, który pozwoli na zaprzęgnięcie praw mechaniki kwantowej do dokonania podobnego jak wówczas technologicznego przełomu - mówi Michelle Simmons z University of New South Wales, która kierowała pracami zespołu badawczego.
      Niedawno ta sama grupa uczonych połączyła atomy fosforu i krzem w taki sposób, że powstał nanokabel o szerokości zaledwie czterech atomów, który przewodził prąd równie dobrze, jak miedź.
      Gerhard Klimeck, który stał na czele grupy uczonych z Purdue prowadzących symulacje działania nowego tranzystora stwierdził, że jest to najmniejszy podzespół elektroniczny. Według mnie osiągnęliśmy granice działania Prawa Moore’a. Podzespołu nie można już zmniejszyć - powiedział.
      Prawo Moore’a stwierdza, że liczba tranzystorów w procesorze zwiększa się dwukrotnie w ciągu 18 miesięcy. Najnowsze układy Intela wykorzystują 2,3 miliarda tranzystorów, które znajdują się w odległości 32 nanometrów od siebie. Atom fosforu ma średnicę 0,1 nanometra. Minie jeszcze wiele lat zanim powstaną procesory budowane w takiej skali. Tym bardziej, że tranzystor zbudowany z pojedynczego atomu ma bardzo poważną wadę - działa tylko w temperaturze -196 stopni Celsjusza. Atom znajduje się w studni czy też kanale. Żeby działał jak tranzystor konieczne jest, by elektrony pozostały w tym kanale. Wraz ze wzrostem temperatury elektrony stają się bardziej ruchliwe i wychodzą poza kanał - wyjaśnia Klimeck. Jeśli ktoś opracuje technikę pozwalającą na utrzymanie elektronów w wyznaczonym obszarze, będzie można zbudować komputer działający w temperaturze pokojowej. To podstawowy warunek praktycznego wykorzystania tej technologii - dodaje.
      Pojedyncze atomy działające jak tranzystory uzyskiwano już wcześniej, jednak teraz po raz pierwszy udało się ściśle kontrolować ich budowę w skali atomowej. Unikatową rzeczą, jaką osiągnęliśmy, jest precyzyjne umieszczenie pojedynczego atomu tam, gdzie chcieliśmy - powiedział Martin Fuechsle z University of New South Wales.
      Niektórzy naukowcy przypuszczają, że jeśli uda się kontrolować elektrony w kanale, to będzie można w ten sposób kontrolować kubity, zatem powstanie komputer kwantowy.
×
×
  • Create New...