Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Teoretyczne miniaturowe lodówki
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Komputery kwantowe mają rozwiązywać problemy, z którymi nie radzą sobie komputery klasyczne. Maszyny, które udało się zbudować, bazują zwykle na superpozycji stanów elektronicznych, na przykład na dwóch różnych ładunkach. Problem w tym, że kubity elektromagnetyczne szybko ulegają dekoherencji, tracą swój stan kwantowy. Wówczas superpozycja ulega zniszczeniu i nie mamy już do czynienia z kubitem. To obecnie znacząco ogranicza możliwości komputerów kwantowych. Wkrótce jednak może się to zmienić, gdyż naukowcy z Federalnego Instytutu Technologii w Zurychu stworzyli długo działający mechaniczny kubit.
Szwajcarski kubit to miniaturowa wersja membrany instrumentu perkusyjnego. Zachowuje się ona w sposób podobny do kota Schrödingera – jednocześnie wibruje i nie wibruje. Jest więc w superpozycji. Wykorzystanie mechanicznego kubitu mogłoby doprowadzić do powstania mechanicznych komputerów kwantowych, zdolnych do przeprowadzania długotrwałych, złożonych obliczeń.
Specjaliści, próbujący stworzyć mechaniczny kubit, mierzyli się z olbrzymim problemem związanym ze stanami energetycznymi. Standardowe kubity elektromagnetyczne zachowują się anharmonicznie, co oznacza, że pomiędzy ich stanami elektronicznymi istnienie nierównowaga energii i to właśnie czyni je użytecznymi kubitami. Z mechanicznymi rezonatorami, takimi jak wspomniana powyżej membrana, problem polega na tym, że są one harmoniczne. Poziomy energii pomiędzy wibracjami są równe, więc wykorzystanie ich jako kubitów jest niemożliwe. Zaproponowano więc rozwiązanie problemu, które miało polegać na połączeniu takiego mechanicznego oscylatora z najlepiej działającym elektromagnetycznym kubitem. Jednak czas działania takiej hybrydy uzależniony był od czasu dekoherencji kubita elektromagnetycznego. Całość nie sprawdzała się dobrze.
Naukowcy z Zurychu wpadli więc na inny pomysł. Ich kubit składa się z elementu piezoelektrycznego umieszczonego na szafirowej płytce – to część mechaniczna – połączonego z szafirowym anharmonicznym elementem.
Prototypowy układ osiąga czas koherencji rzędu 200 mikrosekund, działa więc 2-krotnie dłużej niż przeciętny kubit nadprzewodzący. Co prawda obecnie najlepsze kubity osiągają czas koherencji około 1 milisekundy, jest to więc około 5-krotnie dłużej niż mechaniczny kubit z Zurychu, ale mowa tutaj o wyjątkowych kubitach, nad którymi prace trwają od wielu lat.
Szwajcarscy naukowcy zapewniają, że eksperymentując z różnymi materiałami i architekturami będą w stanie znacząco wydłużyć czas koherencji ich kubitu.
Twórcy mechanicznego kubitu pracują teraz nad stworzeniem kwantowej bramki logicznej, odpowiednika bramek logicznych w tradycyjnych komputerach, za pomocą których przeprowadzane są obliczenia.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Komputery kwantowe mogą bazować na różnych rodzajach kubitów (bitów kwantowych). Jednym z nich są kubity z fotonów, które o palmę pierwszeństwa konkurują z innymi rozwiązaniami. Mają one sporo zalet, na przykład nie muszą być schładzane do temperatur kriogenicznych i są mniej podatne na zakłócenia zewnętrzne niż np. kubity bazujące na nadprzewodnictwie i uwięzionych jonach. Pary splątanych fotonów mogą stanowić podstawę informatyki kwantowej. Jednak uzyskanie splatanych fotonów wymaga zastosowania nieporęcznych laserów i długotrwałych procedur ich dostrajania. Niemiecko-holenderska grupa ekspertów poinformowała właśnie o stworzeniu pierwszego w historii źródła splątanych fotonów na chipie.
Dokonany przez nas przełom pozwolił na zmniejszenie źródła ponad 1000-krotnie, dzięki czemu uzyskaliśmy powtarzalność, długoterminową stabilność, skalowalność oraz potencjalną możliwość masowej produkcji. To warunki, które muszą być spełnione, by zastosować tego typu rozwiązanie w realnym świecie kwantowych procesorów, mówi profesor Michael Kues, dyrektor Instytutu Fotoniki na Leibniz Universität Hannover. Dotychczas źródła światła dla komputerów kwantowych wymagały zastosowania zewnętrznych, nieporęcznych systemów laserowych, których użyteczność była ograniczona. Poradziliśmy sobie z tymi problemami tworząc nową architekturę i różne systemy integracji podzespołów na układzie scalonym, dodaje doktorant Hatam Mahmudlu z grupy Kuesa.
Naukowcy mówią, że ich układ scalony jest równie łatwy w użyciu, jak każdy innych chip. Żeby rozpocząć generowanie splątanych fotonów wystarczy układ zamontować i włączyć. Jak każdy inny układ scalony. Jego obsługa nie wymaga żadnego specjalnego doświadczenia. Zdaniem twórców układu, w przyszłości takie źródło może znaleźć się w każdym kwantowym procesorze optycznym.
Dotychczas eksperci mieli olbrzymie problemy w zintegrowaniu na jednym chipie laserów, filtra i wnęki, gdyż nie istnieje żaden pojedynczy materiał, z którego można by stworzyć wszystkie te urządzenia. Rozwiązaniem okazało się podejście hybrydowe. Naukowcy na jednym chipie umieścili laser z fosforku indu, wnękę oraz filtr z azotku krzemu. W polu lasera, w wyniku spontanicznego nieliniowego procesu, dochodzi do powstania dwóch splątanych fotonów. Uzyskaliśmy wydajność i jakość wymaganą do zastosowania naszego chipa w kwantowych komputerach czy kwantowym internecie, zapewnia Kues. Nasze źródło światła wkrótce stanie się podstawowym elementem programowalnych fotonicznych procesorów kwantowych, uważa uczony. Szczegóły badań zostały opublikowane w Nature Photonics.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Wiele współczesnych komputerów kwantowych zapisuje informacje w nietrwałych stanach kwantowych, które bardzo trudno jest utrzymać i skalować. Rozwiązaniem problemu może być trwały nanomechaniczny kubit.
Kwantowe bity zbudowane z wibrujących węglowych nanorurek i par kropek kwantowych mogą być bardzo odporne na zakłócenia zewnętrzne. Tak przynajmniej wynika z obliczeń wykonanych przez Fabio Pistolesiego z francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych i jego kolegów z Hiszpanii i USA. Obliczenia wskazują bowiem, że czas dekoherencji takiego nanomechanicznego kubitu były bardzo długi, co czyni tę architekturę obiecującym elementem komputerów kwantowych.
Komputery kwantowe mogą, przynajmniej teoretycznie, dokonywać wielu obliczeń znacznie szybciej niż maszyny klasyczne. Wynika to z samych zasad fizyki kwantowej. Najmniejszą jednostką informacji, jaką posługują się komputery, jest bit, reprezentowany przez cyfrę „0” lub „1”. W 4 bitach możemy zapisać 16 (24) kombinacji zer i jedynek. W komputerze klasycznym w danym momencie możemy zapisać jedną z tych kombinacji – gdyż każdy z bitów może przyjąć pozycję albo „0” albo „1” – i wykonać na niej działania.
Jednak komputery kwantowe nie korzystają z bitów, a z kubitów (bitów kwantowych). Kubitem może być np. elektron. A z praw mechaniki kwantowej wiemy, że nie ma on jednej ustalonej wartości „0” lub „1”, ale przyjmuje obie jednocześnie. To tzw. superpozycja. Zatem w komputerze kwantowym w danym momencie zapiszemy wszystkie 16 kombinacji i wykonamy na nich działania. Innymi słowy, 4-bitowy komputer kwantowy powinien być – przynajmniej w teorii – aż 16-krotnie szybszy od swojego klasycznego odpowiednika. Obecnie zaś korzystamy z procesorów 64-bitowych, więc liczba możliwych kombinacji zer i jedynek wynosi w ich przypadku 264.
Problem jednak w tym, że stany kwantowe są bardzo nietrwałe i w wyniku interakcji z czynnikami zewnętrznymi kubit może ulec dekoherencji, czyli utracić swój stan kwantowy (superpozycję) i stać się „standardową” jedynką albo zerem. Widzimy więc, jak istotny jest czas dekoherencji. Im jest on dłuższy, tym więcej czasu zostaje na przeprowadzenie obliczeń.
Obiecującymi kandydatami na kubity są obwody nadprzewodzące, jony uwięzione w pułapkach magnetycznych czy kropki kwantowe. Teraz międzynarodowa grupa uczonych przekonuje, że możliwe jest też zbudowanie stabilnego nanomechanicznego kubitu.
Kubit taki miały się składać z wiszącej węglowej nanorurki działającej jak rezonator, której wibracje zależą od stanów elektronicznych dwóch kropek kwantowych znajdujących się w samej nanorurce. Sprzężenie pomiędzy kropkami a nanorurką powoduje, że rezonator staje się silnie anharmoniczny. To oznacza, że okres drgań jest zależny od jego amplitudy. W takim rezonatorze bardzo łatwo wykryć nawet najmniejsze zmiany amplitudy. Pistolesi uważa, że właśnie amplitudę można wykorzystać do przechowywania kwantowej informacji.
Innymi słowy, najmniejsza możliwa amplituda drgań (kwantowy stan podstawowy) odpowiada „0”, a kolejna najmniejsza amplituda (pierwszy stan wzbudzenia) odpowiada „1”. Stany te można z łatwością odczytać za pomocą mikrofal. Fakt, że częstotliwość pracy oscylatora zmienia się, gdy zmienia się jego amplituda, pozwala nam na odczytywanie kubitu i manipulowanie nim, wyjaśnia swoją koncepcję Pistolesi. Uczony przekonuje, że taki kubit byłby bardzo trwały. Zanim pojawi się dekoherencja, dojdzie w nim do milionów oscylacji.
Wyniki badań, chociaż obiecujące, nie rozwiązują wszystkich problemów. Naukowcy wciąż nie wiedzą, w jaki sposób wprowadzić do takiego systemu na tyle silną anharmoniczność, by całość poddawała się kontroli.
Być może zaproponowana przez Pistolesiego architektura nigdy nie trafi do komputerów kwantowych. Jednak może się ona przydać do budowy niezwykle czułych detektorów kwantowych, gdyż oscylatory takie byłyby podatne na działanie klasycznych sił. Można by je więc wykorzystać do wykrywania niewielkich zmian przyspieszenia, pola elektrycznego czy magnetycznego.
Teraz badacze chcą zbudować zaproponowany przez siebie kubit i przetestować jego działanie.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Holenderscy uczeni zaprezentowali elektroniczny kontroler kubitów, pracujący w temperaturach kriogenicznych. Urządzenie może pomóc w poradzeniu sobie z problemem wąskiego gardła połączeń w komputerach kwantowych korzystających z wielu kubitów.
Do budowy komputerów kwantowych wykorzystuje się obecnie wiele różnych technologii. Wiele z nich zmaga się z poważnym problemem. Otóż elementy, w których przeprowadzane są obliczenia kwantowe pracują w bardzo niskich temperaturach, tymczasem kable i inne podzespoły łączące te elementy ze światem zewnętrznym mają temperaturę znacznie wyższą. Tak duża różnica temperatur może niekorzystnie wpływać na pracę komputerów kwantowych i możliwości ich projektowania.
Naukowcy z Uniwersytetu Technologicznego w Delft we współpracy z ekspertami Intela zaprezentowali właśnie urządzenie elektroniczne, które pracuje w temperaturach kriogenicznych i może kontrolować kwantowy układ scalony. Kriokontroler Horse Ridge pracuje z kwantowymi układami scalonymi opartymi na krzemie równie dobrze, jak standardowe kontrolery z układami scalonymi działającymi w temperaturze pokojowej.
Obecnie w procesorach kwantowych dla każdego kubita tworzy się osobne okablowanie, które łączą go z zewnętrznymi urządzeniami pracującymi w temperaturze pokojowej, wyjaśnia fizyk Lieven Vandersypen z TU Delft. Jednak w przyszłości, gdy kwantowe procesory będą korzystały z tysięcy lub milionów kubitów, zapewnienie każdemu kubitowi osobnego okablowanie nie będzie możliwe, dodaje uczony. Dlatego też wraz z zespołem pracuje nad rozwiązaniem, które poradzi sobie zarówno z problemem różnicy temperatur jak i okablowania.
Problem integracji kubitów i elektroniki to problem termiczny, zgadza się Sorin Voinigescu, inżynier z University of Toronto, który nie był zaangażowany w opisywane badania.
Kontrolery mikrofalowe, takie jak Horse Ridge, mają poważne problemy z pracą w niskich temperaturach. A w przyszłości, gdy będziemy dysponowali kwantowymi procesorami zawierającymi miliony kubitów, konieczne będzie upakowanie w nich dziesiątków tysięcy takich kontrolerów, zdolnych do pracy w bardzo niskich temperaturach. Nowe badania to kolejny krok w tym kierunku.
Podczas prowadzonych eksperymentów Horse Ridge kontrolował parę kubitów zamkniętych w krzemowym systemie zwanym podwójną kropką kwantową. Kontroler wysyłał zaprogramowane wcześniej krótkie impulsy mikrofalowe, które pozwalały na manipulowanie spinem kubitów, czyli przeprowadzanie obliczeń. Zwykle tego typu kontrolery pracują w temperaturze pokojowej i są połączone z procesorem kwantowym za pomocą kabla koncentrycznego. Horse Ridge pracuje w temperaturach kriogenicznych, a jego wydajność jest taka sama, jak tradycyjnych kontrolerów.
Horse Ridge powstał w dobrze znanej technologii CMOS. Połączenie 60 lat doświadczeń z CMOS z kubitami to zwycięskie rozwiązanie, mówi Edoardo Charbon z Delft.
Holenderski zespół zapewnia, że technologię CMOS nie tylko można łatwo miniaturyzować i integrować z kwantowymi układami scalonymi, ale Horse Ridge może być programowany tak, by w różny sposób manipulował kubitami. Pozwala też na uruchamianie większej liczby algorytmów kwantowych, niż wcześniejsze kriokontrolery.
Kontroler pracuje w niskich temperaturach, jednak jest on cieplejszy niż procesor kwantowy, więc różnica między nim a wychodzącym na zewnątrz okablowaniem jest mniejsza. Holenderski zespół będzie pracował nad dalszym zwiększeniem temperatury kubitów, by móc zmniejszać te różnice.
Szczegóły opisano na łamach Nature.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Po raz pierwszy w historii udało się przesłać splątane stany kwantowe przewodem łączącym dwa węzły. Specjaliści z Pritzker School of Molecular Engineering na University of Chicago jednocześnie wzmocnili stan kwantowy na tym samym przewodzie, najpierw wykorzystując przewód do splątania po jednym kubicie w każdym z węzłów, a następnie splątując te kubity z kolejnymi kubitami w węzłach.
Opracowanie metod transferu stanów splątanych jest kluczowym elementem potrzebnym do skalowania kwantowych systemów komputerowych, mówi główny autor badań, profesor Andrew Cleland.
Aby wysłać stan kwantowy naukowcy stworzyli w każdym z węzłów po trzy nadprzewodzące kubity. Następnie po jednym kubicie z każdego węzła połączyli z przewodem i wysłali stan kwantowy, w formie mikrofalowych fotonów. Dzięki temu, że cały proces trwał zaledwie kilkadziesiąt nanosekund, doszło jedynie do minimalnej utraty informacji.
Taki system pozwolił im też na „wzmocnienie” splątania kubitów. Najpierw splątali ze sobą po jednym kubicie z obu węzłów, później rozszerzyli splątanie na kolejne kubity. Gdy skończyli, splątane były wszystkie kubity w obu węzłach, które utworzyły pojedynczy globalny stan splątany.
W przyszłości komputery kwantowe mogą być zbudowane z modułów, w których obliczenia będą dokonywane przez grupy splątanych kubitów. Takie komputery mogą być stworzone z wielu połączonych węzłów. Podobnie zresztą jak dzisiaj buduje się superkomputery, które składa się z wielu węzłów obliczeniowych w jedną wydajną maszynę. Przesłanie stanu splątanego pomiędzy węzłami jest więc bardzo ważnym osiągnięciem na drodze do powstania takich modułowych komputerów kwantowych.
Takie węzły muszą mieć możliwość przesyłania pomiędzy sobą złożonych stanów kwantowych, a nasza praca to ważny krok w tym kierunku, mówi Cleland i zaznacza, że z takiego podejścia mogą skorzystać też sieci kwantowe.
Uczeni z Chicago mają nadzieję, że w przyszłości uda im się poszerzyć ich architekturę o kolejny węzeł i stworzą stan splątany z kubitów zgrupowanych w trzech modułach.
Więcej na ten temat można przeczytać w Nature.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.