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

Mikrofalowe splątanie

Recommended Posts

Fizycy z Narodowych Instytutów Standardów i Technologii (NIST) jako pierwsi w historii doprowadzili do splątania dwóch jonów za pomocą mikrofal. Dotychczas w tym celu wykorzystywano lasery.

Prace te pokazują, że w przyszłości możliwe będzie zastąpienie wielkich systemów laserowych niewielkimi źródłami mikrofal, takimi jak np. wykorzystywane w telefonach komórkowych.

Mikrofale już wcześniej były używane do manipulowania jonami, jednak teraz, dzięki umieszczeniu źródła ich emisji bardzo blisko jonów, w odległości zaledwie 30 mikrometrów, udało się uzyskać splątanie atomów. Możliwość splątywania cząsteczek to jeden z podstawowych warunków transportu informacji i korekcji błędów w przyszłych komputerach kwantowych.

Podczas swoich prac naukowcy wykorzystali źródło mikrofal umieszczone w układzie scalonym zintegrowane z pułapką jonową oraz stołowy zestaw laserów, luster i soczewek. Zestaw ten jest dziesięciokrotnie mniejszy niż dotychczas wykorzystywane. Użycie ultrafioletowego lasera o niskiej mocy wciąż jest koniecznością, gdyż za jego pomocą chłodzi się jony i obserwuje wyniki badań. Jednak w przyszłości cały zespół lasera można będzie zminiaturyzować do rozmiarów laserów używanych np. w odtwarzaczach DVD.

Możliwe, że średniej wielkości komputer kwantowy będzie przypominał telefon komórkowy połączony z urządzeniem podobnym do laserowego wskaźnika, a zaawansowane maszyny będą wielkości współczesnego peceta - mówi fizyk Dietrich Leibfried, współautor badań. Chociaż kwantowe komputery raczej nie będą urządzeniami, które każdy będzie chciał nosić przy sobie, to będą mogły używać elektroniki podobnej do tej, jaka jest obecnie wykorzystywana w smartfonach do generowania mikrofal. Podzespoły takie są dobrze znane i już obecne na rynku. Taka perspektywa bardzo nas ekscytuje - dodaje uczony.

W czasie eksperymentów dwa jony zostały złapane w elektromagnetyczną pułapkę. Nad pułapką znajdował się układ scalony zawierający elektrody z azotku glinu pokrytego złotem. Elektrody były aktywowane, by wywołać impulsy promieniowania mikrofalowego oscylujące wokół jonów. Ich częstotliwość wahała się od 1 do 2 gigaherców. Mikrofale doprowadziły do powstania pola magnetycznego, które z kolei wywołało rotację spinów. Jeśli moc takiego pola magnetycznego jest w odpowiedni sposób zwiększana, można doprowadzić do splątania jonów. Metodą prób i błędów, wykorzystując przy tym zestaw trzech elektrod, udało się uczonym odnaleźć właściwy sposób manipulowania polem magnetycznym i doprowadzić do splątania.

Wykorzystanie mikrofal w miejsce laserów ma i tę zaletę, że zmniejsza liczbę błędów, które są powodowane niestabilnościami w promieniu lasera oraz zapobiega pojawieniu się w jonach spontanicznej emisji wywoływanej światłem laserowym. Jednak technika mikrofalowego splątania musi zostać jeszcze udoskonalona. Uczonym z NIST udało się uzyskać splątanie w 76% przypadków. Tymczasem za pomocą lasera uzyskuje się wynik rzędu 99,3 procenta.

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
      Ostatnie działania gigantów IT, takich jak Google, oraz koncernów farmaceutycznych sugerują, że pierwszym naprawdę przydatnym zastosowaniem komputerów kwantowych mogą stać się obliczenia związane z pracami nad nowymi lekami. Komputery kwantowe będą – przynajmniej teoretycznie – dysponowały mocą nieosiągalną dla komputerów klasycznych. Wynika to wprost z zasady ich działania.
      Najmniejszą jednostką informacji jest bit. Reprezentowany jest on przez „0” lub „1”. Jeśli wyobrazimy sobie zestaw trzech bitów, z których w każdym możemy zapisać wartość „0” lub „1” to możemy w ten sposób stworzyć 8 różnych kombinacji zer i jedynek (23). Jednak w komputerze klasycznym w danym momencie możemy zapisać tylko jedną z tych kombinacji i tylko na jednej wykonamy obliczenia.
      Jednak w komputerze kwantowym mamy nie bity, a bity kwantowe, kubity. A z praw mechaniki kwantowej wiemy, że kubit nie ma jednej ustalonej wartości. Może więc przyjmować jednocześnie obie wartości: „0” i „1”. To tzw. superpozycja. A to oznacza, że w trzech kubitach możemy w danym momencie zapisać wszystkie możliwe kombinacje zer i jedynek i wykonać na nich obliczenia. Z tego zaś wynika, że trzybitowy komputer kwantowy jest – przynajmniej w teorii – ośmiokrotnie szybszy niż trzybitowy komputer klasyczny. Jako, że obecnie w komputerach wykorzystujemy procesory 64-bitowe, łatwo obliczyć, że 64-bitowy komputer kwantowy byłby... 18 trylionów (264) razy szybszy od komputera klasycznego.
      Pozostaje tylko pytanie, po co komu tak olbrzymie moce obliczeniowe? Okazuje się, że bardzo przydałyby się one firmom farmaceutycznym. I firmy te najwyraźniej dobrze o tym wiedzą. Świadczą o tym ich ostatnie działania.
      W styczniu największa prywatna firma farmaceutyczna Boehringer Ingelheim ogłosiła, że rozpoczęła współpracę z Google'em nad wykorzystaniem komputerów kwantowych w pracach badawczo-rozwojowych. W tym samym miesiącu firma Roche, największy koncern farmaceutyczny na świecie, poinformował, że od pewnego czasu współpracuje już z Cambridge Quantum Computing nad opracowaniem kwantowych algorytmów służących wstępnym badaniom nad lekami.
      Obecnie do tego typu badań wykorzystuje się konwencjonalne wysoko wydajne systemy komputerowe (HPC), takie jak superkomputery. Górną granicą możliwości współczesnych HPC  są precyzyjne obliczenia dotyczące molekuł o złożoności podobne do złożoności molekuły kofeiny, mówi Chad Edwards, dyrektor w Cambridge Quantum Computing. Molekuła kofeiny składa się z 24 atomów. W farmacji mamy do czynienia ze znacznie większymi molekułami, proteinami składającymi się z tysięcy atomów. Jeśli chcemy zrozumieć, jak funkcjonują systemy działające według zasad mechaniki kwantowej, a tak właśnie działa chemia, to potrzebujemy maszyn, które w pracy wykorzystują mechanikę kwantową, dodaje Edwards.
      Cambridge Quantum Computing nie zajmuje się tworzeniem komputerów kwantowych. Pracuje nad kwantowymi algorytmami. Jesteśmy łącznikiem pomiędzy takimi korporacjami jak Roche, które chcą wykorzystywać komputery kwantowe, ale nie wiedzą, jak dopasować je do swoich potrzeb, oraz firmami jak IBM, Honeywell, Microsoft czy Google, które nie do końca wiedzą, jak zaimplementować komputery kwantowe do potrzeb różnych firm. Współpracujemy z 5 z 10 największych firm farmaceutycznych, wyjaśnia Edwards.
      Bardzo ważnym obszarem prac Cambridge Quantum Computing jest chemia kwantowa. Specjaliści pomagają rozwiązać takie problemy jak znalezieniem molekuł, które najmocniej będą wiązały się z danymi białkami, określenie struktury krystalicznej różnych molekuł, obliczanie stanów, jakie mogą przyjmować różne molekuły w zależności od energii, jaką mają do dyspozycji, sposobu ewolucji molekuł, ich reakcji na światło czy też metod metabolizowania różnych związków przez organizmy żywe.
      Na razie dysponujemy jednak bardzo prymitywnymi komputerami kwantowymi. Są one w stanie przeprowadzać obliczenia dla molekuł składających się z 5–10 atomów, tymczasem minimum, czego potrzebują firmy farmaceutyczne to praca z molekułami, w skład których wchodzi 30–40 atomów. Dlatego też obecnie przeprowadzane są obliczenia dla fragmentów molekuł, a następnie stosuje się specjalne metody obliczeniowe, by stwierdzić, jak te fragmenty będą zachowywały się razem.
      Edwards mówi, że w przyszłości komputery kwantowe będą szybsze od konwencjonalnych, jednak tym, co jest najważniejsze, jest dokładność. Maszyny kwantowe będą dokonywały znacznie bardziej dokładnych obliczeń.
      O tym, jak wielkie nadzieje pokładane są w komputerach kwantowych może świadczyć fakt, że główne koncerny farmaceutyczne powołały do życia konsorcjum o nazwie QuPharm, którego zadaniem jest przyspieszenie rozwoju informatyki kwantowej na potrzeby produkcji leków. QuPharm współpracuje z Quantum Economic Development Consortium (QED-C), powołanym po to, by pomóc w rozwoju komercyjnych aplikacji z dziedziny informatyki kwantowej na potrzeby nauk ścisłych i inżynierii. Współpracuje też z Pistoia Alliance, którego celem jest przyspieszenie innowacyjności w naukach biologicznych.
      Widzimy zainteresowanie długoterminowymi badaniami nad informatyką kwantową. Firmy te przeznaczają znaczące środki rozwój obliczeń kwantowych, zwykle zapewniają finansowanie w dwu-, trzyletniej perspektywie. To znacznie bardziej zaawansowane działania niż dotychczasowe planowanie i studia koncepcyjne. Wtedy sprawdzali, czy informatyka kwantowa może się do czegoś przydać, teraz rozpoczęli długofalowe inwestycje. To jest właśnie to, czego ta technologia potrzebuje, dodaje Edwards.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Niemieccy naukowcy z Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka przeprowadzili operację na bramce logicznej, w której wzięły udział dwa kubity znajdujące się w dwóch różnych laboratoriach. Ich osiągnięcie to bardzo ważny krok w kierunku kwantowego przetwarzania rozproszonego. Może to pozwolić na zbudowanie modułowych systemów obliczeniowych, składających się z urządzeń stojących w różnych miejscach, ale działających jak jeden wielki komputer.
      Dodanie kolejnego kubitu do kwantowego komputera nie jest łatwym zadaniem. Kubity muszą być w stanie przeprowadzać operacje logiczne, a jednocześnie muszą być odizolowane od wpływów zewnętrznych (szumu), które mogą zniszczyć ich stan kwantowy.
      Bardzo istotnym źródłem szumu w systemach kwantowych jest interferencja pomiędzy samymi kubitami. Jeśli np. mamy system składający się z 4 kubitów, a chcemy przeprowadzić obliczenia z udziałem tylko 2 z nich, to wciąż istnienie ryzyko interakcji pomiędzy kubitami, które nie biorą udziału w obliczeniach. Im więcej zaś kubitów w systemie, tym większy problem szumu.
      Jednym ze sposobów poradzenia sobie z tym problemem jest rozproszenie kubitów pomiędzy różne urządzenia. To jednak wymaga zintegrowania operacji logicznych prowadzonych za pomocą tych urządzeń. Jeśli po prostu wykonamy obliczenia na jednym takim module i prześlemy wyniki do opracowania do innego modułu, to wciąż nie zwiększamy dostępnej mocy obliczeniowej, mówi Severin Daiss z Instytutu Optyki Kwantowej.
      Dlatego też dużym zainteresowaniem naukowców cieszy się koncepcja teleportacji za pomocą bramek kwantowych. To pomysł zgodnie z którym dane wyjściowe na kwantowej bramce logicznej są zależne od danych wejściowych na bramce, znajdującej się gdzieś indziej.
      Daiss i jego koledzy pracujący pod kierunkiem profesora Gerharda Rempe zaprezentowali znacząco uproszczoną technikę, która bazuje na interakcji fotonu z modułami w dwóch różnych laboratoriach. W każdym z tych laboratoriów naukowcy stworzyli wnękę optyczną zawierającą atom rubidu. Urządzenia zostały połączone światłowodem o długości 60 metrów. W celu ustanowienia bramki logicznej naukowcy wysłali foton, działający jak „latający kubit”, między obiema wnętami. Wędrował on pomiędzy nimi, dzięki czemu uzyskano splątanie jego polaryzacji ze stanem energetycznym atomów rubidu. Powstała w ten sposób bramka CNOT, której stan można odczytać mierząc stan fotonu.
      Ronald Hanson z Uniwersytetu Technologicznego w Delft uważa, że prace Niemców to ważny krok naprzód. Spowodowali, że foton odbił się od jednej strony, przemieścił w drugą i dokonał pomiaru. Od strony koncepcyjnej jest to niezwkle proste, a oni wykazali że to działa. Myślę, że to prawdziwa nowość na tym polu.
      Szczegóły eksperymentu opisano na łamach Science.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Grafenowe bolometry mogą całkowicie zmienić zasady gry na polu komputerów kwantowych, stwierdzają na łamach Nature fińscy naukowcy z Uniwersytetu Aalto i VTT Technical Research Centre of Finland. Stworzyli oni nowy detektor mierzący energię z niedostępnymi wcześniej dokładnością i szybkością. To może pomóc w rozwoju komputerów kwantowych i upowszechnieniu się tych maszyn poza laboratoria.
      Bolometr to urządzenie, które określa ilość promieniowania mierząc, jak bardzo zostało przez to promieniowanie ogrzane. Głównym autorem nowego niezwykle precyzyjnego bolometru jest profesor Mikko Möttönen, który pracował nad nim przez ostatnią dekadę.
      Współczesne komputery kwantowe działają dzięki pomiarom energii kubitów. Większość z nich mierzy napięcie elektryczne indukowane przez kubit. Dokonywanie takich pomiarów jest jest związane z występowaniem trzech problemów. Po pierwsze pomiary takie wymagają rozbudowanych obwodów wzmacniających napięcie, co może ograniczać możliwości skalowania systemów kwantowych. Po drugie obwody takie zużywają sporo energii. W końcu po trzecie, pomiary napięcia wprowadzają szum kwantowy, który z kolei generuje błędy w odczytach kubitów. Specjaliści zajmujący się komputerami kwantowymi od dawna mają nadzieję, że wszystkie trzy problemy można będzie rozwiązać dzięki bolometrom. A profesor Möttönen stworzył właśnie bolometr, który jest wystarczająco czuły i szybki, by sprostać takim zadaniom.
      Bolometry wchodzą do technologii kwantowych i być może ich pierwszym zadaniem będzie odczyt informacji z kubitów. Czułość i dokładność bolometrów właśnie osiągnęła poziom wymagany w takich zadaniach, mówi Möttönen.
      Przed rokiem zespół profesora Möttönena stworzył ze stopu złota i palladu bolometr, którego pomiary charakteryzował niezwykle niski poziom szumu. Jednak urządzenie pracowało zbyt wolno jak na potrzeby komputerów kwantowych. Najnowszy bolometr, którego osiągi pozwalają na zastosowanie go w komputerach kwantowych, został zbudowany z grafenu.
      Grafen charakteryzuje się bardzo niską pojemnością cieplną, co oznacza, że pozwala on na szybkie wykrywanie niewielkich zmian w poziomie energii. Dzięki temu nadaje się do pomiarów w systemach kwantowych. Grafenowy bolometr dokonuje pomiaru w czasie znacznie krótszym niż mikrosekunda, a więc szybkością pracy dorównuje obecnie używanym systemom pomiarowym. Jest jednak pozbawiony ich wad.
      Zmiana stopu złota i palladu na grafen spowodowała 100-krotne przyspieszenie pracy detektora przy zachowaniu niskiego poziomu szumów. Uważamy, że możemy jeszcze bardziej udoskonalić nasze urządzenie, mówi profesor Pertti Hakonen z Aalto.
      To bardzo ważne, gdyż pokazuje, że skoro bolometry dorównują systemom opartym na pomiarach napięcia prądu, to w przyszłości będą od nich bardziej wydaje. Możliwości obecnej technologii są ograniczone przez zasadę nieoznaczoności Heisenberga. Wynika z niej, że – przynajmniej teoretycznie – możliwe jest stworzenie bolometru p pozbawionego szumu kwantowego. Teoria nie pozwala zaś na stworzenie systemu pomiaru napięcia bez szumu kwantowego. Zatem wyższa teoretyczna dokładność, niższe zapotrzebowanie na energię oraz znacznie mniejsze rozmiary czynią z grafenowych bolometrów niezwykle obiecującą technologię, która pozwoli na wprowadzenie komputerów kwantowych pod strzechy.
      Ze szczegółami badań Finów można zapoznać się na łamach Nature.
       


      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Dotychczas słyszeliśmy, że „kiedyś” powstanie pełnowymiarowy komputer kwantowy, zdolny do przeprowadzania obliczeń różnego typu, który będzie bardziej wydajny od komputerów klasycznych. Teraz IBM zapowiedział coś bardziej konkretnego i interesującego. Firma publicznie poinformowała, że do końca roku 2023 wybuduje komputer kwantowy korzystający z 1000 kubitów. Obecnie najpotężniejsza kwantowa maszyna IBM-a używa 65 kubitów.
      Plan IBM-a zakłada, że wcześniej powstaną dwie maszyny pozwalające dojść do zamierzonego celu. W przyszłym roku ma powstać 127-kubitowy komputer, a w roku 2022 IBM zbuduje maszynę operującą na 433 kubitach. Rok później ma zaprezentować 1000-kubitowy komputer kwantowy. A „kiedyś” pojawi się komputer o milionie kubitów. Dario Gil, dyrektor IBM-a ds. badawczych mówi, że jest przekonany, iż firma dotrzyma zarysowanych tutaj planów. To coś więcej niż plan i prezentacja w PowerPoincie. To cel, który realizujemy, mówi.
      IBM nie jest jedyną firmą, która pracuje nad komputerem kwantowym. Przed rokiem głośno było o Google'u, który ogłosił, że jego 53-kubitowy komputer kwantowy rozwiązał pewien abstrakcyjny problem osiągając przy tym „kwantową supremację”, a więc rozwiązując go znacznie szybciej, niż potrafi to uczynić jakakolwiek maszyna klasyczna. Stwierdzenie to zostało jednak podane w wątpliwość przez IBM-a, a niedługo później firma Honeywell ogłosiła, że ma najpotężniejszy komputer kwantowy na świecie.
      Google zapowiada, że w ciągu 10 lat zbuduje kwantową maszynę wykorzystującą milion kubitów. Tak przynajmniej zapowiedział Hartmut Neven, odpowiedzialny w Google'u za prace nad kwantową maszyną, który jednak nie podał żadnych konkretnych terminów dochodzenia do celu.
      IBM zadeklarował konkretne daty po to, by jego klienci i współpracownicy wiedzieli, czego można się spodziewać. Obecnie dziesiątki firm kwantowe używają maszyn kwantowych IBM-a,by rozwijać własne technologie kwantowe. Poznanie planów Błękitnego Giganta i śledzenie jego postępów, pozwoli im lepiej planować własne działania, mówi Gil.
      Jednym z partnerów IBM-a jest firma Q-CTRL, rozwija oprogramowanie do optymalizacji kontroli i wydajności poszczególnych kubitów. Jak zauważa jej założyciel i dyrektor, Michael Biercuk, podanie konkretnych terminów przez IBM-a może zachęcić fundusze inwestycyjne do zainteresowania tym rynkiem. Fakt, że wielki producent sprzętu wkłada dużo wysiłku i przeznacza spore zasoby może przekonać inwestorów, mówi.
      Zdaniem Bierucka 1000-kubitowa maszyna będzie niezwykle ważnym krokiem milowym w rozwoju komputerów kwantowych. Co prawda będzie 1000-krotnie zbyt mało wydajna, by w pełni wykorzystać potencjał technologii, ale przy tej liczbie kubitów możliwe już będą wykrywanie i korekta błędów, które trapią obecnie komputery kwantowe.
      Jako, że stany kwantowe są bardzo delikatne i trudne do utrzymania, badacze opracowali protokoły korekcji błędów, pozwalające na przekazanie informacji z jednego fizycznego kubita do wielu innych. Powstaje w ten sposób „kubit logiczny”, którego stan można utrzymać dowolnie długo.
      Dzięki 1121-kubitowej maszynie IBM będzie mógł stworzyć kilka kubitów logicznych i doprowadzić do interakcji pomiędzy nimi. Taka maszyna będzie punktem zwrotnym w pracach nad komputerami kwantowymi. Specjaliści będą mogli skupić się nie na walce z błędami w indywidualnych kubitach, a na wysiłkach w celu udoskonalenia architektury i wydajności całej maszyny.
      IBM już w tej chwili buduje olbrzymi chłodzony helem kriostat, który ma w przyszłości chłodzić komputer kwantowy z milionem kubitów.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Amerykańscy fizycy ostrzegają, że w przyszłości komputery kwantowe będą musiały być chronione grubą warstwą ołowiu lub... przechowywane głęboko pod ziemią. Są bowiem niezwykle wrażliwe na zewnętrzne zakłócenia, w tym na promieniowanie jonizujące. Promieniowanie to może znacząco skracać czas koherencji kubitów (kwantowych bitów), a to z kolei niekorzystnie wpłynie na możliwość praktycznego wykorzystania technologii kwantowych.
      William Oliver i jego koledzy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) oraz Pacific Northwest National Laboratory zmierzyli i modelowali wpływ promieniowania jonizującego na aluminiowe kubity umieszczone na krzemowym podłożu. Podczas swoich eksperymentów naukowcy wykorzystali dwa kubity, które poddano działaniu dobrze znanego źródła promieniowania jonizującego, cienkiego dysku wykonanego z miedzi-64. Naukowcy mierzyli tempo dekoherencji kubitów. Badali też, jak łatwo w wyniku oddziaływania promieniowania w kubitach pojawiają się kwazicząsteczki. Uzyskane w ten sposób informacje połączyli z danymi dotyczącymi promieniowania jonizującego w laboratorium MIT, pochodzącego zarówno z promieniowania kosmicznego jak i z naturalnych izotopów radioaktywnych. W tym przypadku były to głównie izotopy obecne w betonowych ścianach laboratorium.
      Okazało się, że w warunkach panujących w laboratorium górna granica czasu koherencji kubitów wynosi 3–4 milisekund. Po tym czasie następuje dekoherencja, zatem kubity stają się nieprzydatne do przeprowadzania obliczeń.
      Uczeni zweryfikowali uzyskane wyniki za pomocą dodatkowego niezależnego eksperymentu sprawdzając, jak można kubity chronić przed promieniowaniem jonizującym. W tym eksperymencie siedem kubitów – a raczej pojemnik z chłodziwem, w którym je przechowywano – zostało otoczonych 10-centymetrową warstwą ołowiu. Podnosząc i opuszczając osłonę byli w stanie zbadać wpływ promieniowania jonizującego oraz osłony na te same kubity. Potwierdzili, że limit czasu koherencji wynosi około 4 ms. Jednocześnie odkryli, że 10-centymetrowa osłona wydłuża ten czas o około 10%.
      Jednak biorąc pod uwagę fakt, że istnieją silniejsze od promieniowania jonizującego źródła dekoherencji kubitów, Oliver i jego zespół wyliczają, że 10-centymetrowa osłona wydłuża czas koherencji zaledwie o 0,2%. To niewiele, ale zdaniem naukowców stosowanie takich osłon będzie koniecznością. Zmniejszenie lub pozbycie się wpływu promieniowania jonizującego będzie krytycznym elementem praktycznego wykorzystania nadprzewodzących komputerów kwantowych, napisali na łamach Nature.
      Jedną z opcji, przynajmniej na początku rozwoju informatyki kwantowej, mogłoby być umieszczenie komputerów pod ziemią. To jednak wymaga dalszych badań. Oliver mówi, że najlepszym rozwiązaniem będzie stworzenie kubitów, które są mniej podatne na zakłócenia.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...