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

Kolejny krok w kierunku komputerów kwantowych

Recommended Posts

Na University of Bristol powstał fotoniczny układ scalony, który pozwala na tworzenie i manipulowanie stanem splątanym i stanem mieszanym. Stan splatany, zachodzący pomiędzy dwoma niepołączonymi ze sobą cząsteczkami, umożliwi komputerowi kwantowemu wykonywanie obliczeń. Uczeni z Bristolu jako pierwsi pokazali, że stan splątany można uzyskać, manipulować nim i  mierzyć na kawałku krzemu.

Aby zbudować kwantowy komputer musimy nie tylko umieć kontrolować złożone zjawiska takie jak splątanie czy stan mieszany, ale musimy być w stanie dokonać tego w układzie scalonym - mówi profesor Jeremy O'Brien, dyrektor Centre for Quantum Photonics. Nasze urządzenie to umożliwia i wierzymy, że stanowi ono ważny krok na drodze do stworzenia optycznego komputera kwantowego - dodaje.

Układ zbudowany jest z sieci kanałów, w których dokonywane są odpowiednie manipulacje fotonami. Do kości dołączonych jest osiem elektrod, których konfigurację można na bieżąco zmieniać. Dzięki tym elektrodom pary fotonów są splątywane we wszelkie możliwe sposoby i dokonywane są na nich operacje. Podobnie manipuluje się stanem mieszanym pojedynczego fotonu.

Chip z Bristolu jest mniej więcej dziesięciokrotnie bardziej złożony, niż wcześniej budowane układy do manipulacji stanami kwantowymi.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.
Note: Your post will require moderator approval before it will be visible.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

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
      Grupa naukowców z Uniwersytetu w Oksfordzie donosi o udanym splątaniu bakterii z fotonami. W październikowym numerze Journal of Physics ukazał się artykuł zespołu pracującego pod kierunkiem Chiary Marletto, który przeanalizował eksperyment przeprowadzony w 2016 roku przez Davida Colesa i jego kolegów z University of Sheffield.
      Podczas wspomnianego eksperymentu Coles wraz z zespołem umieścili kilkaset chlorobakterii pomiędzy dwoma lustrami i stopniowo zmniejszali odległość pomiędzy nimi tak, aż dzieliło je zaledwie kilkaset nanometrów. Odbijając białe światło pomiędzy lustrami naukowcy chcieli spowodować, by fotosyntetyczne molekuły w bakteriach weszły w interakcje z dziurą, innymi słowy, bakterie miały ciągle absorbować, emitować i ponownie absorbować odbijające się fotony. Eksperyment okazał się sukcesem. Sześć bakterii zostało w ten sposób splątanych z dziurą.
      Jednak Marletto i jej zespół twierdzą, że podczas eksperymentu zaszło coś więcej, niż jedynie połączenie bakterii z dziurą. Przeprowadzone analizy wykazały, że sygnatura energetyczna pojawiająca się podczas eksperymentu jest właściwa dla splątania molekuł wewnątrz bakterii e światłem. Wydaje się, że niektóre fotony jednocześnie trafiały w molekuły i je omijały, a to właśnie dowód na splątanie.
      Nasze modele dowodzą, że zanotowano sygnaturę splątania pomiędzy światłem a bakterią, mówi pani Marletto. Po raz pierwszy udało się dokonać splątania kwantowego w żywym organizmie.
      Istnieje jednak wiele zastrzeżeń, mogących podważać wnioski grupy Marletto. Po pierwsze i najważniejsze, dowód na splątanie zależy od tego, w jaki sposób zinterpretujemy interakcję światła z bakterią. Marletto i jej grupa zauważają, że zjawisko to można opisać też na gruncie klasycznego modelu, bez potrzeby odwoływania się do efektów kwantowych. Jednak, jak zauważają, nie można tego opisać modelem „półklasycznym”, w którym do bakterii stosujemy zasady fizyki newtonowskiej, a do fotonu fizykę kwantową To zaś wskazuje, że mieliśmy do czynienia z efektami kwantowymi dotyczącymi zarówno bakterii jak i fotonu. To trochę dowód nie wprost, ale sądzę, że wynika to z faktu, iż oni próbowali bardzo rygorystycznie podejść do tematu i nie wysuwali twierdzeń na wyrost, mówi James Wootton z IBM Zurich Research Laboratory, który nie był zaangażowany w badania.
      Z kolei Simon Gröblacher z Uniwersytetu Technologicznego w Delft zwraca uwagę na kolejne zastrzeżenie. Otóż energię bakterii i fotonu zmierzono wspólnie, nie osobno. To pewne ograniczenie, ale wydaje się, że miały tam miejsce zjawiska kwantowe. Zwykle jednak gdy chcemy dowieść splątania, musimy osobno zbadać oba systemy.
      Wiele zespołów naukowych próbuje dokonać splątania z udziałem organizmów żywych. Sam Gröblacher zaprojektował eksperyment, w którym chce umieścić niesporczaki w superpozycji. Chodzi o to, by zrozumieć nature rzeczy i sprawdzić czy efekty kwantowe są wykorzystywane przez życie. W końcu u swoich podstaw wszystko jest kwantem, wyjaśnia współpracownik Marletto, Tristan Farrow.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na Tufts University stworzono magnetyczne kompozyty elastomerowe, które poruszają się w różny sposób w odpowiedzi na światło. Z takich materiałów można by produkować wiele różnych urządzeń, od prostych silników i zaworów po ogniwa fotowoltaiczne samodzielnie kierujące się w stronę światła słonecznego.
      Znamy wiele naturalnych przypadków reakcji na światło. Wystarczy przypomnieć sobie kwiaty czy liście zwracające się w stronę słońca. Materiały, które zostały wykorzystane przez naukowców z Tufts wykorzystują temperaturę Curie, czyli granicę temperatury, przy której ferromagnetyk zmienia swoje właściwości. Zmiana temperatury powoduje utratę i odzyskanie właściwości magnetycznych. Biopolimery i elastomery wzbogacone ferromagnetykiem CrO2 po wystawieniu ich na działanie promienia lasera czy promieni słonecznych ogrzewają się, tracą właściwości magnetyczne, a gdy się schłodzą, odzyskują te właściwości. Materiały takie w odpowiedzi na obecność pola magnetycznego w zależności od kształtu, mogą wykonywać proste ruchy, jak zginanie się, zwijanie czy zwiększanie swojej powierzchni. Możemy połączyć te proste ruchy w bardziej złożone, jak pełzanie, chodzenie czy pływanie. A wszystko można kontrolować bezprzewodowo, za pomocą światła, mówi profesor Fiorenzo Omenetto.
      Zespół Omenetto zaprezentował działanie wspomnianych materiałów tworząc elastyczne chwytaki, które w odpowiedzi na światło łapały i puszczały przedmioty. Jedną z zalet takich materiałów jest fakt, że możemy selektywnie aktywować fragment ich struktury poprzez skoncentrowanie na nich światła, mówi jedna z autorek badań, Meng Li. I w przeciwieństwie do innych materiałów pobudzanych światłem, które bazują na ciekłych kryształach, nasze materiały mogą poruszać się od lub do źródła światła. Wszystko to pozwala na budowę zarówno dużych, jak i małych obiektów wykonujących złożone, skoordynowane ruchy, dodaje uczona.
      Naukowcy stworzyli prosty mechanizm, który nazwali „silnikiem Curie”. Materiał w kształcie okręgu został zamocowany na osi i umieszczony w pobliżu stałego magnesu. gdy na fragment okręgu padło światło lasera, utracił on właściwości magnetyczne, doszło do zaburzenia równowagi sił i okrąg się obrócił. Wówczas oświetlony dotychczas fragment znalazł się w cieniu, odzyskał właściwości magnetyczne, a utracił je fragment obok, który znalazł się w promieniu lasera. W ten sposób prosty silnik ciągle się obracał.
      Dobierając odpowiednio kształt materiału, właściwości światła i pola magnetycznego, możemy teoretycznie uzyskać bardziej złożone i precyzyjne ruchu, jak zwijanie i rozwijanie, przełączanie zaworów w mikrokanalikach z płynami, możemy napędzać silniki w skali nano i wiele innych rzeczy, mówi Omenetto.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na fińskim Aalto University uzyskano kondensat Bosego-Einsteina stworzony ze światła i plazmonów powierzchniowych. Ich wzajemne oddziaływanie tworzy polarytony plazmonów powierzchniowych.
      Przed niemal stu laty Einstein i Bose przewidzieli, że prawa mechaniki kwantowej mogą spowodować, iż duże grupy cząstek mogą zachowywać się tak, jakby były jedną cząstką. Zjawisko to nazwano kondensacją Bosego-Einsteina. Pierwszy kondensat tego typu udało się uzyskać dopiero w 1995 roku.
      Kondensaty uzyskiwano już wielokrotnie i w różnych konfiguracjach, jednak naukowcy ciągle nad nimi pracują. Chcą bowiem uzyskiwać je szybciej, w wyższych temperaturach i mniejszej skali. Mają bowiem nadzieję na praktyczne ich wykorzystanie. Z kondensatu Bosego-Einsteina można by stworzyć ekstremalnie małe źródło światła, które niezwykle szybko będzie przetwarzało dane.
      Fińscy uczeni poinformowali o stworzeniu kondensatu Bosego-Einsteina ze światła i elektronów poruszających się na powierzchni złotych nanopręcików. W przeciwieństwie do większości wcześniej uzyskiwanych kondensatów ten z Aalto, jako że złożony jest głównie ze światła, pojawia się w temperaturze pokojowej, nie trzeba całości schładzać do temperatur bliskich zera absolutnego.
      Korzystając ze współczesnych metod produkcyjnych jesteśmy w stanie w łatwy sposób uzyskać macierz z nanopręcików. W ich pobliżu można skupiać światło na bardzo małych powierzchniach, mniejszych nawet od długości fali światła w próżni. Te właściwości dają nam interesujące perspektywy dla przyszłych badań i zastosowań praktycznych nowego kondensatu, mówi profesor Päivi Törmä.
      Głównym problemem związanym z nowym rodzajem kondensatu jest fakt, że błyskawicznie się on pojawia i znika. Z naszych wyliczeń wynika, że czas jego życia jest liczony w pikosekundach, wyjaśnia doktorant Antti Moilanen. Naukowcy musieli więc wymyślić sposób na udowodnienie istnienia czegoś, co znika po bilionowych części sekundy. Wpadli na pomysł, by zmusić kondensat do poruszania się. Kondensat powoduje, że złote nanopręciki emitują światło. Obserwując to światło możemy badać zmiany kondensatu w czasie, dodaje Tommi Hakala. Emitowane światło jest podobne do światła laserowego. Możemy zmieniać odległości pomiędzy nanopręcikami, co pozwala nam na zdecydowanie, czy mamy do czynienia z kondensacją Bosego-Einsteina czy z pojawieniem się zwykłego światła laserowego. To są dwa bardzo zbliżone zjawiska fizyczne, a kluczowym jest możliwość odróżnienia ich od siebie. Oba nadają się też do odmiennych zastosowań, mówi profesor Törmä.
      Światło laserowe i kondensacja Bosego-Einsteina dają jasne promienie, jednak koherencje światła mają różne właściwości. To zaś wpływa na sposób, w jaki można manipulować światłem w zależności od wymaganych zastosowań. Kondensat pozwala na uzyskiwanie niezwykle krótkich impulsów światła, które mogą zostać wykorzystane do szybkiego przekazywania i przetwarzania informacji.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      IBM pokaże dzisiaj prototypowy optyczny układ scalony „Holey Optochip“. To pierwszy równoległy optyczny nadajnik-odbiornik pracujący z prędkością terabita na sekundę. Urządzenie działa zatem ośmiokrotnie szybciej niż inne tego typu kości. Układ pozwala na tak szybki transfer danych, że mógłby obsłużyć jednocześnie 100 000 typowych użytkowników internetu. Za jego pomocą można by w ciągu około godziny przesłać zawartość Biblioteki Kongresu USA, największej biblioteki świata.
      Holey Optochip powstał dzięki wywierceniu 48 otworów w standardowym układzie CMOS. Dało to dostęp do 24 optycznych nadajników i 24 optycznych odbiorników. Przy tworzeniu kości zwrócono też uwagę na pobór mocy. Jest on jednym z najbardziej energooszczędnych układów pod względem ilości energii potrzebnej do przesłania jednego bita informacji. Holey Optochip potrzebuje do pracy zaledwie 5 watów.
      Cały układ mierzy zaledwie 5,2x5,8 mm. Odbiornikami sygnału są fotodiody, a nadajnikami standardowe lasery półprzewodnikowe VCSEL pracujące emitujące światło o długości fali 850 nm.
×
×
  • Create New...