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

Atomowa pamięć z Utah

Recommended Posts

Naukowcy z University of Utah stworzyli najprawdopodobniej najmniejszy w historii układ pamięci. Przez 112 sekund przechowywali dane w jądrze atomu, wykorzystując do tego celu spin. Później odczytali te informacje. Badania takie w przyszłości posłużą do stworzenia szybkich układów pamięci zarówno dla komputerów konwencjonalnych jak i dla maszyn kwantowych.

Zaobserwowana przez nas długość przechowywania danych jest bardziej niż wystarczająca do stworzenia układów pamięci. To całkiem nowy sposób składowania i odczytywania informacji - stwierdził autor badań, profesor Christoph Boehme. Zanim jednak zaczniemy się w sklepach rozglądać za "atomowymi" układami pamięci, będziemy musieli poczekać co najmniej kilka lat. Zastosowany przez naukowców aparat do zapisywania i odczytywania danych pracuje bowiem w temperaturze 3,2 kelwinów i musi być otoczony polem magnetycznym 200 000 razy silniejszym od pola magnetycznego Ziemi.

Oczywiście, że możemy już dzisiaj stworzyć taki układ pamięci, ale czy naprawdę potrzebujemy komputera, który pracuje w -270 stopniach Celsjusza i wymaga wielkiego laboratorium do generowania odpowiedniego pola magnetycznego? Najpierw musimy nauczyć się, jak wymusić pracę w wyższych, bardziej praktycznych temperaturach, i pozbyć się silnego pola magnetycznego potrzebnego do ustawienia spinu - mówi profesor.

Największym osiągnięciem Boehme jest elektroniczne odczytanie danych. Już przed dwoma laty innej grupie uczonych udało się przechować przez 2 sekundy dane w jądrze atomu, ale nie odczytali ich elektronicznie.

Badania nad "atomową" pamięcią Boehme prowadzi od wielu lat, a w 2006 roku jego zespół zaprezentował sposób na odczytanie danych z 10 000 atomów fosforu umieszczonych na krzemie.

Obecnie Boehme, Dane McCamey i inni uczeni z Utah wykorzystali cienki, wzbogacony fosforem kawałek krzemu o powierzchni 1 mm2 i umieścili na nim styki elektryczne. Całość włożono do kontenera, w którym panowało bardzo niska temperatura i poddano działaniu pola magnetycznego o wartości 8,59 tesli, które odpowiednio ustawiło spiny elektronów atomu fosforu. Za pomocą fal elektromagnetycznych o częstotliwościach bliskich terahercowi zmieniano kierunek spinów. Następnie za pomocą radiowych fal ultrakrótkich przeniesiono informacje z elektronów do jądra. Podczas odczytu cały proces odwrócono. Za pomocą fal o terahercowej częstotliwości przeniesiono informacje z jądra do elektronów i je odczytano dzięki temu, że spin elektronów został zamieniony na zmiany w przepływie prądu elektrycznego.

Krótko mówiąc, zapisaliśmy '1' w jądrze atomu. Wykazaliśmy, że możemy odczytywać i zapisywać dane ze spinu w jądrze - mówi Boehme. Informacje udało się wielokrotnie zapisywać i odczytywać średnio przez 112. Po tym czasie jądro atomu traciło oinformację o spinie. W ciągu tych 112 sekund przeprowadzono 2000 operacji odczytu tych samych danych, co dowodzi, że odczytanie informacji nie niszczy jej, a zatem takie jej przechowywanie jest wykonalne.

Na obecnym etapie udało się odczytać spin z wielu jąder atomu. Taka technika sprawdzi się w komputerach klasycznych, ale nie w kwantowych, gdzie konieczne jest odróżnienie spinu z pojedynczego atomu. Boehme mówi, że uczeni powinni sobie poradzić z tym w ciągu kilku najbliższych lat.

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
      Gdy denerwujemy się, że nasz domowy pecet uruchamia się za długo, pewnym pocieszeniem może być informacja, iż w porównaniu z eksperymentalnymi komputerami kwantowymi jest on demonem prędkości. Uczeni pracujący nad tego typu maszynami spędzają każdego dnia wiele godzin na ich odpowiedniej kalibracji.
      Komputery kwantowe, a raczej maszyny, które w przyszłości mają się nimi stać, są niezwykle czułe na wszelkie zewnętrzne zmiany. Wystarczy, że temperatura otoczenia nieco spadnie lub wzrośnie, że minimalnie zmieni się ciśnienie, a maszyna taka nie będzie prawidłowo pracowała. Obecnie fizycy kwantowi muszą każdego dnia sprawdzać, jak w porównaniu z dniem poprzednim zmieniły się warunki. Później dokonują pomiarów i ostrożnie kalibrują układ kwantowy - mówi profesor Frank Wilhelm-Mauch z Uniwersytetu Kraju Saary. Dopuszczalny margines błędu wynosi 0,1%, a do ustawienia jest około 50 różnych parametrów. Kalibracja takiej maszyny jest zatem niezwykle pracochłonnym przedsięwzięciem.
      Wilhelm-Mauch i jeden z jego doktorantów zaczęli zastanawiać się na uproszczeniem tego procesu. Stwierdzili, że niepotrzebnie skupiają się na badaniu zmian w środowisku. Istotny jest jedynie fakt, że proces kalibracji prowadzi do pożądanych wyników. Nie jest ważne, dlaczego tak się dzieje. Uczeni wykorzystali algorytm używany przez inżynierów zajmujących się mechaniką konstrukcji. Dzięki niemu możliwe było zmniejszenie odsetka błędów poniżej dopuszczalnego limitu 0,1% przy jednoczesnym skróceniu czasu kalibracji z 6 godzin do 5 minut. Niemieccy naukowcy nazwali swoją metodologię Ad-HOC (Adaptive Hybrid Optimal Control) i poprosili kolegów z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara o jej sprawdzenie. Testy wypadły pomyślnie.
      W przeciwieństwie do metod ręcznej kalibracji nasza metoda jest całkowicie zautomatyzowana. Naukowiec musi tylko wcisnąć przycisk jak w zwykłym komputerze. Później może pójść zrobić sobie kawę, a maszyna kwantowa sama się wystartuje - mówi Wilhelm-Mauch.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Współczesne komputery kwantowe to bardzo skomplikowane urządzenia, które trudno jest budować, skalować, a do pracy wymagają niezwykle niskich temperatur. Dlatego naukowcy od dłuższego czasu interesują się optycznymi komputerami kwantowymi. Fotony łatwo przenoszą informację, a fotoniczny komputer kwantowy mógłby pracować w temperaturze pokojowej. Problem jednak w tym, że o ile wiadomo, jak budować pojedyncze kwantowe bramki logiczne dla fotonów, to olbrzymim wyzwaniem jest stworzenie dużej liczby bramek i połączenie ich tak, by możliwe było przeprowadzanie złożonych obliczeń.
      Jednak optyczny komputer kwantowy może mieć prostszą architekturę, przekonują na łamach Optics naukowcy z Uniwersytetu Stanforda. Proponują oni wykorzystanie lasera do manipulowania pojedynczym atomem, który z kolei – za pomocą zjawiska teleportacji kwantowej – zmieni stan fotonu. Atom taki może być resetowany i wykorzystywany w wielu bramkach kwantowych, dzięki czemu nie ma potrzeby budowania różnych fizycznych bramek, co z kolei znakomicie uprości architekturę komputera kwantowego.
      Jeśli chciałbyś zbudować komputer kwantowy tego typu, musiałbyś stworzyć tysiące kwantowych źródeł emisji, spowodować, by były nie do odróżnienia od siebie i zintegrować je w wielki obwód fotoniczny. Tymczasem nasza architektura zakłada wykorzystanie niewielkiej liczby dość prostych podzespołów, a wielkość naszej maszyny nie rośnie wraz z wielkością programu kwantowego, który jest na niej uruchamiany, wyjaśnia doktorant Ben Bartlett, główny autor artykułu opisującego prace fizyków ze Stanforda.
      Nowatorska architektura składa się z dwóch głównych elementów. Pierścień przechowujący dane to po prostu pętla ze światłowodu, w której krążą fotony. Pełni on rolę układu pamięci, a każdy foton reprezentuje kubit. Badacze mogą manipulować fotonem kierując go z pierścienia do jednostki rozpraszania. Składa się ona z wnęki optycznej, w której znajduje się pojedynczy atom. Foton wchodzi w interakcję z atomem i dochodzi do ich splątania. Następnie foton wraca do pierścienia, a laser zmienia stan atomu. Jako, że jest on splątany z fotonem, zmiana stanu atomu skutkuje też zmianą stanu fotonu. Poprzez pomiar stanu atomu możesz badać stan fotonu. W ten sposób potrzebujemy tylko 1 atomowego kubitu, za pomocą którego manipulujemy wszystkimi fotonicznymi kubitami, dodaje Bartlett.
      Jako że każda kwantowa bramka logiczna może zostać skompilowana w szereg operacji przeprowadzonych na atomie, teoretycznie można by w ten sposób uruchomić dowolny program kwantowy dysponując jednym atomowym kubitem. Działanie takiego programu polegałoby na całym ciągu operacji, w wyniku których fotony wchodziłyby w interakcje z atomowym kubitem.
      W wielu fotonicznych komputerach kwantowych bramki są fizycznymi urządzeniami, przez które przechodzą fotony, zatem jeśli chcesz zmienić sposób działania swojego programu zwykle musisz zmienić konfigurację sprzętową komputera. W przypadku naszej architektury nie musisz zmieniać sprzętu. Wystarczy, że wyślesz do maszyny inny zestaw instrukcji, stwierdza Bartlett.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Fizycy z Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF – Jefferson Lab) zmierzyli z niezwykłą dokładnością grubość neutronowej „skórki” tworzącej otoczkę jądra ołowiu. Na łamach Physical Review Letters poinformowali, że grubość ta wynosi 0,28 milionowych części nanometra. A ich pomiary mają duże znaczenie dla określenia struktury i rozmiarów... gwiazd neutronowych.
      Jądro każdego pierwiastka składa się z protonów i neutronów. To m.in. one określają właściwości pierwiastków i pozwalają nam je od siebie odróżnić. Fizycy od dawna badają jądra atomowe, by dowiedzieć się, w jaki sposób protony i neutrony oddziałują ze sobą. W Jefferson Lab prowadzony jest Lead Radius Experiment (PREx), którego celem jest dokładne zbadanie rozkładu protonów i neutronów w jądrze ołowiu.
      Pytanie brzmi, gdzie w jądrze znajdują się neutrony. Ołów to ciężki pierwiastek. Posiada dodatkowe neutrony. Jeśli jednak bierzemy pod uwagę wyłącznie oddziaływanie sił jądrowych, które wiążą protony i neutrony w jądrze, to lepiej sprawdza się model, w którym jądro ołowiu posiada równą liczbę protonów i neutronów, mówi profesor Kent Paschke z University of Virginia, rzecznik prasowy PREx.
      W lekkich jądrach, zawierających niewiele protonów, zwykle rzeczywiście liczba protonów i neutronów jest równa. Jednak im cięższe jądro, tym potrzebuje więcej neutronów niż protonów, by pozostać stabilnym. Wszystkie stabilne jądra pierwiastków, które zawierają ponad 20 protonów, mają więcej neutronów niż protonów. Ołów zaś to najcięższy pierwiastek o stabilnych izotopach. Jego jądro zawiera 82 protony i 126 neutronów. A do zrozumienia, jak to wszystko trzyma się razem, musimy wiedzieć, w jaki sposób w jądrze rozłożone są dodatkowe neutrony.
      Protony w jądrze ołowiu ułożone są w kształt sfery. Neutrony tworzą większą sferę otaczającą mniejszą. Tę większą sferę nazwaliśmy skórką neutronową, wyjaśnia Paschke. Tę skórkę po raz pierwszy zauważono właśnie w Jefferson Lab w 2012 roku. Od tamtej pory naukowcy starają się mierzyć jej grubość z coraz większą precyzją.
      Neutrony trudno jest badać, gdyż wiele narzędzi, które mają do dyspozycji fizycy, rejestruje oddziaływania elektromagnetyczne, które są jednymi z czterech podstawowych sił natury. Eksperyment PREx do pomiarów wykorzystuje inną z podstawowych sił – oddziaływania słabe. Protony posiadają ładunek elektryczny, który możemy badań za pomocą oddziaływań elektromagnetycznych. Neutrony nie posiadają ładunku elektrycznego, ale – w porównaniu z protonami – generują potężne oddziaływania słabe. Jeśli więc jesteś w stanie to wykorzystać, możesz określić, gdzie znajdują się neutrony, dodaje Paschke.
      Autorzy nowych badań wykorzystali precyzyjnie kontrolowany strumień elektronów, który został wystrzelony w stronę cienkiej warstwy ołowiu schłodzonej do temperatur kriogenicznych. Elektrony obracały się w kierunku ruchu wiązki i wchodziły w interakcje z protonami i neutronami w atomach ołowiu. Oddziaływania elektromagnetyczne zachowują symetrię odbicia, a oddziaływania słabe nie. to oznacza, że elektron, który wchodzi w interakcję za pomocą sił elektromagnetycznych, robi to niezależnie od kierunku swojego spinu. Natomiast jeśli chodzi o interakcje za pomocą oddziaływań słabych, to widoczna jest tutaj wyraźna preferencja jednego kierunku spinu. Możemy więc wykorzystać tę asymetrię do badania siły oddziaływań, a to pozwala nam określić obszar zajmowany przez neutrony. Zdradza nam zatem, gdzie w odniesieniu do protonów, znajdują się neutrony, mówi profesor Krishna Kumar z University of Massachusetts Amherst.
      Przeprowadzenie eksperymentów wymagało dużej precyzji. Dość wspomnieć, że kierunek spinu elektronów w strumieniu był zmieniany 240 razy na sekundę, a elektrony, zanim dotarły do badanej próbki ołowiu, odbywały ponad kilometrową podróż przez akcelerator. Badacze znali relatywną pozycję względem siebie strumieni elektronów o różnych spinach z dokładnością do szerokości 10 atomów.
      Dzięki tak wielkiej precyzji naukowcy stwierdzili, że średnica sfery tworzonej przez protony wynosi około 5,5 femtometrów. A sfera neutronów jest nieco większa, ma około 5,8 femtometrów. Skórka neutronowa ma więc 0,28 femtometra grubości. To około 0,28 milionowych części nanometra, informuje Paschke.
      Jak jednak te pomiary przekładają się na naszą wiedzę o gwiazdach neutronowych? Wyniki uzyskane w Jefferson Lab wskazują, że skórka neutronowa jest grubsza, niż sugerowały niektóre teorie. To zaś oznacza, że do ściśnięcia jądra potrzebne jest większe ciśnienie niż sądzono, zatem samo jądro jest nieco mniej gęste. A jako, że nie możemy bezpośrednio badać wnętrza gwiazd neutronowych, musimy opierać się na obliczeniach, do których używamy znanych właściwości składowych tych gwiazd.
      Nowe odkrycie ma też znaczenie dla danych z wykrywaczy fal grawitacyjnych. Krążące wokół siebie gwiazdy neutronowe emitują fale grawitacyjne, wykrywane przez LIGO. Gdy już są bardzo blisko, w ostatnim ułamku sekundy oddziaływanie jednej gwiazdy powoduje, że druga staje się owalna. Jeśli skórka neutronowa jest większa, gwiazda przybierze inny kształt niż wówczas, gdy skórka ta jest mniejsza. A LIGO potrafi zmierzyć ten kształt. LIGO i PREx badają całkowicie różne rzeczy, ale łączy je podstawowe równanie – równanie stanu materii jądrowej.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Fizycy z Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms stworzyli specjalny typ komputera kwantowego, zwany programowalnym symulatorem kwantowym, który operuje na 256 kubitach. To niezwykle ważny krok w kierunku maszyn kwantowych działających na duża skalę. Wchodzimy na teren, którego dotychczas nikt nie badał, mówi profesor Mikhail Lukin, jeden z głównych autorów badań. To zupełnie nowa część kwantowego świata.
      Połączenie bezprecedensowej liczby kubitów oraz możliwości ich programowania jest tym, co stawia nowy system na czele kwantowego wyścigu i pozwoli badać niedostępne dotychczas zagadnienia z dziedziny informatyki kwantowej. Trzeba bowiem pamiętać, że w odpowiednich warunkach dokładanie kolejnych kubitów do kwantowego systemu pozwala na wykładniczy wzrost ilości przechowywanej i przetwarzanej informacji. Liczba stanów kwantowych, jakie możemy zapisać w zaledwie 256 kubitach jest większa, niż liczba atomów w Układzie Słonecznym, wyjaśnia Sepher Ebadi, student Graduate School of Arts and Sciences i główny autor badań.
      Już teraz symulator pozwolił na przeprowadzenie obserwacji wielu egzotycznych stanów kwantowych, których nigdy wcześniej nie uzyskano. Naukowcy wykorzystali go też do badania kwantowego przejścia fazowego z niezwykle duża dokładnością, dzięki czemu poznali kolejne szczegóły działania magnetyzmu na poziomie kwantowym. Tego typu eksperymenty pozwalają zarówno udoskonalać komputery kwantowe, jak i opracowywać nowe materiały o egzotycznych właściwościach.
      Twórcy maszyny zbudowali ją w oparciu o opracowaną przez siebie platformę, która w 2017 roku osiągnęła wielkość 51 kubitów. System ten składał się z ultrazimnych atomów rubidu uwięzionych w pułapce i ułożonych w jednowymiarową matrycę za pomocą szczypiec optycznych, na które składały się promienie lasera. W nowym systemie ułożono dwuwymiarową matrycę atomów, dzięki czemu możliwe stało się zwiększenie liczby kubitów z 51 do 256. Za pomocą szczypiec optycznych naukowcy mogą układać atomy we wzory i tworzyć programowalne kształty, np. kwadraty, plastry miodu itp, uzyskując różne interakcje pomiędzy kubitami.
      Głównym elementem całości jest urządzenie zwane przestrzennym modulatorem światła, które jest wykorzystywane do nadawania kształtu optycznej powierzchni falowej, dzięki czemu uzyskujemy setki indywidualnych szczypiec optycznych. To takie samo urządzenie, jak te używane w projektorach wyświetlających obrazy na ekranie, jednak my zaadaptowaliśmy je na potrzeby naszego symulatora kwantowego, wyjaśnia Ebadi.
      Początkowe ułożenie atomów w szczypcach optycznych jest przypadkowe. Naukowcy używają więc drugiej pary szczypiec do przeciągnięcia atomów na zaplanowane pozycje. Dzięki laserom mają całkowitą kontrolę nad pozycją kubitów i mogą nimi manipulować.
      Obecnie trwają prace nad udoskonaleniem systemu poprzez poprawę kontroli nad kubitami i uczynienie go łatwiejszym w programowaniu. Naukowcy szukają też nowych zastosowań dla swojego systemu, od badania egzotycznych stanów materii kwantowej po rozwiązywanie rzeczywistych problemów, z którymi na co dzień się spotykamy.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Daliście się nabrać na przypadkowe przełączenie i uruchomienie Zooma na maszynie kwantowej? :)
      Międzynarodowy zespół naukowy wykorzystał Sycamore, kwantowy komputer Google'a, do obsługi oprogramowania wideokonferencyjnego Zoom. Eksperci mają nadzieję, że dzięki współpracy z komputerem kwantowym – który wykazał swoją przewagę w niektórych zadaniach nad komputerami klasycznymi – możliwe będzie umieszczenie uczestników rozmowy w więcej niż jednym wirtualnym pokoju.
      Autorzy badań nad „kwantową przewagą Zooma” twierdzą, że do jej zauważenia doszło przypadkiem. Miało to miejsce, gdyż Benedetta Brassard, fizyk kwantowa z University of Waterloo, przypadkowo połączyła Zooma z Sycamore podczas online'owego spotkania. Brassard pracuje w ramach International Fault Tolerant Benchmarking Team (FiT/BiT). Brałam udział w online'owym spotkaniu FiT/Bit i postanowiłam na chwilę przełączyć się na panel Sycamore'a, by sprawdzić, jak idą moje kwantowe obliczenia. W tym momencie Brassard otrzymała mema dotyczącego algorytmu Shora. Mem ją rozproszył i w jakiś sposób uczona podłączyła swojego Zooma do komputera kwantowego.
      Jedni koledzy zaczęli mnie informować, że wyłączyłam dźwięk, podczas gdy inni mnie słyszeli. Zauważyłam, że coś jest nie tak, gdy na ekranie zaczęły pojawiać mi się liczne wersje Zooma, stwierdza uczona. Jej zdaniem Sycamore zastosował znaną z mechaniki kwantowej teorię wielu światów.
      Jedynym sposobem na powrót sesji Zooma do świata klasycznego było wykonywanie pomiarów, czyli w tym przypadku zwracanie uwagi na to, co mówią inni, wspomina Brassard. Na szczęście uczona wiedziała, jak to zrobić. Niedawno bowiem prowadziła doktoranta, który w ramach swoich zainteresowań implementował Instagrama na komputer kwantowy D-Wave 2000Q. Naszym zadaniem było określenie optymalnej pory dnia, w której influencerzy powinni wstawiać na Instagrama poty związane z domowymi zwierzętami. Odkryliśmy, że jest to problem NP. Brassard wiedziała więc, jak przełączyć aplikację ze stanu kwantowego w klasyczny.
      Cała sytuacja została opisana na łamach Quantum Advances in Computing and Correlation. Autorzy badań rozpoczęli prace nad stworzeniem mechanizmu, który pozwoliłby użytkownikom Zooma na jednoczesne istnienie w wielu wirtualnych pokojach.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...