Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy

Recommended Posts

Fizycy z Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii poinformowali o splątaniu 18 kubitów. To największa jak dotychczas liczba splątanych kubitów z zachowaniem kontroli nad pojedynczym kubitem. Jako, że każdy z kubitów może reprezentować 2 stany, możemy w tym przypadku uzyskać 262 144 kombinacje ich stanów (218).

Artykuł opisujący osiągnięcie Xi-Lin Wanga i jego kolegów został opublikowany na łamach Physical Review Letters.
W artykule informujemy o splątaniu 18 kubitów, co rozszerza efektywną przestrzeń Hilberta do 262 144 wymiarów z pełną kontrolą o trzech stopniach swobody dla sześciu fotonów, w tym z kontrolą ich polaryzacji, orbitalnego momentu pędu oraz drogi, stwierdził współautor badań Chao-Yang Lu. To największa jak dotąd liczba splątanych kubitów. Splątywanie coraz większej liczby kubitów interesuje nie tylko specjalistów zajmujących się badaniami podstawowymi. Stanowi to jedno z głównych wyzwań informatyki kwantowej.

Istnieją dwa sposoby na splątanie większej liczby kubitów. Można albo dodawać kolejne cząstki do już splątanych, albo wykorzystywać dodatkowe stopnie swobody splątanych cząstek. Gdy korzystamy z dodatkowych stopni swobody mówimy o hipersplątaniu. Jak dotychczas największymi osiągnięciami na tym polu było splątanie 14 jonów z jednym stopniem swobody oraz pięciu fotonów z dwoma stopniami swobody, co odpowiada 10 kubitom. Mimo, że przejście od dwóch do trzech stopni swobody stanowi poważne wyzwanie, chińskim naukowcom udało się uzyskać nie tylko trzy stopnie swobody, ale i zwiększyć liczbę fotonów do sześciu, przez co uzyskali 18 splątanych kubitów.

Użycie dodatkowych stopni swobody niesie ze sobą liczne korzyści. Na przykład zwiększenie z dwóch do trzech stopni swobody oznacza, że każdy foton może znajdować się nie w czterech, a w ośmiu różnych stanach. Ponadto hipersplątany 18-kkubitowy stan z trzema stopniami swobody jest o 13 rzędów wielkości bardziej efektywny niż  18-kubitowy stan składający się z 18 fotonów o pojedynczym stopniu swobody.

Dzięki naszej pracy uzyskaliśmy nową platformę do optycznego przetwarzania informacji kwantowej. Możliwość kontrolowania 18 kubitów pozwala nam na przeprowadzenie niedostępnych dotychczas badań, takich jak na przykład wykorzystanie kodu Raussendorfa-Harringtona-Goyala do korekcji błędów czy teleportacji trzech stopni swobody pojedynczego fotonu, mówi Lu.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Czy jedynie fotony mogą być użyte do komputerów kwantowych,czy inne cząstki elementarne to już nie,czy chodzi o to,że fotony najłatwiej zrobić lub tylko one się nadają,czy to odkrycie-18 splątanych fotonów ma jakieś znaczenie dla rozwoju nauki?

Share this post


Link to post
Share on other sites

Nie odkrycie, tylko uzyskanie. Zbudowanie efektywnego komputera kwantowego to klucz do postępu w wielu dziedzinach wymagających masywnych obliczeń (astronomia, biologia itd)

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

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Chińscy naukowcy donieśli, że układ optyczny przeprowadził kwantowe obliczenia zwane gaussowskim próbkowaniem bozonu (Gaussian boson sampling – GBS) ok. 100 bilionów razy szybciej niż mogą to zrobić klasyczne superkomputery. Osiągnięciem takim pochwalili się na łamach Science Jian-Wei Pan i Chao-Yang Lu oraz ich koledzy z Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii w Hefei.
      Co prawda metoda GBS powstała po to, by wykazać, że komputery kwantowe mogą osiągnąć kwantową supremację – czyli wykonać obliczenia, jakich komputery klasyczne nie są w stanie wykonać w rozsądnym czasie – ale można ją przystosować do niektórych wyspecjalizowanych praktycznych obliczeń.
      Żeby zrozumieć, na czym polega próbkowanie bozonów, wyobraźmy sobie układ optyczny z wieloma wejściami i wyjściami. Do układu wpuszczamy pojedyncze fotony, które napotykają na różne komponenty optyczne, jak dzielniki wiązki czy lustra. Zadaniem metody próbkowania bozonów jest odgadnięcie, jak fotony pojawią się na wyjściu. Taki układ możemy więc postrzegać jako matrycę dokonującą transformacji konfiguracji fotonów wpuszczonych na wejściu w konfigurację wyjściową. Określenie konfiguracji wyjściowej jest bardzo trudne nawet dla niewielkiej matrycy z rozdzielaczy i lusterek.
      Układ optyczny, który wykorzystali Chińczycy, ma 100 punktów wejścia i 100 punktów wyjścia i składa się z losowo rozłożonych 300 rozdzielaczy wiązki i 75 lusterek. Wszystkie elementy były ze sobą nawzajem połączone, więc foton, który wszedł w dowolnym punkcie wejścia mógł pojawić się dowolnym punkcie wyjścia.
      Chińczycy poinformowali, że GBS wykonała odpowiednie obliczenia w ciągu około 200 sekund. Tymczasem najszybszy chiński superkomputer – Sunway TaihuLight – który jest 4. najpotężniejszym superkomputerem na świecie, potrzebowałby na wykonanie tych samych obliczeń... ok. 2,5 miliarda lat.
      Ten eksperyment to z pewnością kamień milowy w dziedzinie symulacji kwantowych opartych na liniowych układach optycznych, mówi Christine Silberhorn z niemieckiego Uniwersytetu w Paderborn. Silberhorn jest jednym z twórców zaproponowanej w 2017 roku metody GBS. Uczona dodała, że samo przygotowanie systemu o rozmiarach 100x100 musiało być bardzo trudne. Z jej opinią zgadza się Ian Walmsley z Imperial College London, który dodatkowo chwali chińskich naukowców za heroiczny wyczyn, jakim było przygotowanie stanów kwantowych, które są całkowicie nierozróżnialne i upewnienie się, że fotony nie zostały utracone.
      Chao-Yang Lu mówi, że wraz z kolegami na tyle ulepszyli GBS, że możliwe będzie przeprowadzenie eksperymentu na macierzy 144x144. W 2021 roku nasza maszyna GBS będzie łatwiejsza w dostrojeniu, mniejsza i bardziej stabilna. Zaczynamy zastanawiać się nad jej wdrożeniem do celów praktycznych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Gdy naukowcy z fińskiego Uniwersytetu Aalto po raz pierwszy zobaczyli wyniki badań nad wydajnością swoich detektorów z czarnego krzemu, sądzili, że to pomyłka. Trudno im bowiem było uwierzyć nie tylko w to, że stworzyli pierwsze urządzenie fotowoltaiczne, które przekroczyło limit 100% zewnętrznej wydajności kwantowej, ale i w to, że wydajność ta od razu sięgnęła 130%. Dotychczas uważano, że 100% stanowi nieprzekraczalne teoretyczne maksimum.
      Gdy to zobaczyliśmy nie mogliśmy uwierzyć. Od razu stwierdziliśmy, że musimy zweryfikować uzyskany wynik za pomocą niezależnych pomiarów, mówi profesor Hele Savin. Niezależne pomiary przeprowadził Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), niemiecki narodowy instytut metrologiczny, najbardziej wiarygodna w tym zakresie instytucja w UE. Obok amerykańskiego NIST i brytyjskiego NPL stanowi on ścisłą światową czołówkę w dziedzinie metrologii.
      Dyrektor Laboratorium Radiometrii PTB, doktor Lutz Werner stwierdził, że gdy tylko zobaczyłem wyniki pomiarów, zdałem sobie sprawę, że mamy tutaj do czynienia z olbrzymim przełomem.
      Zewnętrzna wydajność kwantowa urządzenia wynosząca 100% oznacza, że 1 foton wpadający do urządzenia, przyczynia się do powstania 1 elektronu w zewnętrznym obwodzie. Zatem wydajność 130% to nic innego, jak generowanie przez 1 foton około 1,3 elektronu.
      Analiza wykazała, że ta wyjątkowo wysoka zewnętrzna wydajność kwantowa bierze się z procesu multiplikacji zachodzącego wewnątrz nanostruktur krzemu. Proces ten uruchamiany jest obecnością wysoko energetycznego fotonu. Dotychczas zjawiska takiego nie zaobserwowano, gdyż w urządzeniach dochodziło do dużych strat zarówno fotonów jak i elektronów. Jesteśmy w stanie zebrać wszystkie zwielokrotnione nośniki ładunku, gdyż nasze urządzenie nie wywołuje strat powodowanych przez rekombinację i odbicia, mówi profesor Savin.
      Odkrycie to oznacza, że możliwe jest znakomite zwiększenie wydajności każdego urządzenia, którego praca polega na wykrywaniu obecności fotonu. Takie urządzenia obecne są dosłownie wszędzie, w przemyśle samochodowym, w telefonach komórkowych czy w urządzeniach medycznych.
      Opracowane przez Finów detektory w czarnego krzemu już spotkały się z olbrzymim zainteresowaniem ze strony przemysłu, szczególnie biotechnologicznego oraz specjalizującego się w monitorowaniu procesów produkcyjnych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Fizycy donoszą o zdobyciu pierwszego bezsprzecznego dowodu na istnienie anyonów, cząstek, których istnienie zostało zaproponowane przed ponad 40 laty. Anyony to kwazicząstki, które nie są ani fermionami, ani bozonami zatem podlegają statystyce innej niż statystyka Fermiego-Diraca i Bosego-Einsteina. Anyony mogą istnieć w przestrzeni dwuwymiarowej.
      Odkrycie, którego dokonano za pomocą elektronicznego urządzenia 2D, może być pierwszym krokiem na drodze wykorzystania anyonów w przyszłych komputerach kwantowych.
      Wszystkie cząstki elementarne są albo fermionami albo bozonami. Anyony nie należą do żadnej z tych kategorii. Fermiony są definiowane przez statystykę Fermiego-Diraca. Gdy dwa identyczne fermiony zamieniają się miejscem w przestrzeni ich funkcja falowa zmienia pozycję o 180 stopni. W przypadku zaś bozonów, definiowanych przez statystykę Bosego-Einsteina, nie dochodzi w takim przypadku do zmiany funkcji falowej. Innymi słowy, cząstki o spinach połówkowych (fermiony) dążą do pozostawania osobno od siebie, natomiast cząstki o spinach całkowitych (bozony) dążą do gromadzenia się. Anyony znajdują się gdzieś po środku. Zmiana pozycji anyonów powinna doprowadzić do zmiany funkcji falowej o kąt pośredni. Podlegają one statystyce cząstkowej.
      Jeśli jedna kwazicząstka wykona pełen obrót wokół drugiej, co jest odpowiednikiem dwukrotnej zamiany pozycji pomiędzy nimi, informacja o tym ruchu zostanie zachowana w stanie kwantowym cząstki. I to właśnie ten zapamiętany stan jest jedną z cech charakterystycznych statystyki cząstkowej, której poszukiwali obecnie naukowcy, by potwierdzić istnienie anyonów.
      Fizyk eksperymentalny Michael Manfra i jego zespół z Purdue University, stworzyli strukturę złożoną z cienkich warstw arsenku galu i arsenku aluminiowo-galowego. Struktura taka wymusza ruch elektronów w dwóch wymiarach. Urządzenie zostało schłodzone do 1/10 000 stopnia powyżej zera absolutnego i poddano je działaniu silnego pola magnetycznego. W ten sposób pojawił się tzw. izolator cząstkowego kwantowego efektu Halla. W izolatorze takim prąd elektryczny nie może przemieszczać się w wewnątrz urządzenia, a wyłącznie po jego krawędziach. Urządzenie może przechowywać kwazicząstki, których ładunek elektryczny nie jest wielokrotnością ładunku elektronów. Naukowcy podejrzewali, że kwazicząstki te to właśnie anyony.
      By udowodnić, że istotnie mają do czynienia z anyonami, uczeni połączyli swoje urządzenie do elektrod w ten sposób, że ładunki mogły przepływać tylko po krawędziach. Właściwości urządzenia były dobierane za pomocą pola magnetycznego i elektrycznego. Spodziewano się, że manipulacja tymi polami albo zniszczy ani utworzy anyony wewnątrz urządzenia i spowoduje, że anyony będą przemieszczały się pomiędzy elektrodami. Jako, że poruszające się anyony mogą poruszać się dwiema możliwymi ścieżkami, a każda z nich powoduje pojawienie się innego skrętu ich fal, gdy anyony docierają do celu dochodzi do interferencji i pojawienia się wzorca określanego jako paski na piżamie.
      Wzorzec ten pokazywał relatywną wartość skrętu fal anyonów pomiędzy obiema ścieżkami i był zależny od zmian napięcia i siły pola magnetycznego. Ostatecznym dowodem zaś były wyraźnie widoczne przeskoki, świadczące o znikaniu i pojawianiu się anyonów w urządzeniu.
      Zespół Manfry nie jest jedynym, który przedstawił dowody na istnienie statystyki cząstkowej, zatem na istnienie anyonów. Jednak w wielu poprzednich przypadkach uzyskane wyniki dawało się wytłumaczyć również w inny sposób, mówi Bernard Rosenow, fizyk-teoretyk z Uniwersytetu w Lipsku specjalizujący się w badaniu materii skontensowanej. Tymczasem, jak sam przyznaje, nie znam innego wyjaśnienia dla wyników uzyskanych przez Manfrę, jak interpretacji mówiącej o statystyce cząstkowej. Jeśli więc inny zespół potwierdzi obserwacje Manfry i jego kolegów, będziemy mogli mówić o odkryciu anyonów.
      Anyony zaś mogą posłużyć do budowy komputerów kwantowych. Już zresztą istnieją teorie opisujące takie maszyny. W parach kwazicząstek można zapisać informacje o tym, jak krążyły one wokół siebie. Jako, że statystyka cząstkowa jest topologiczna, zależy od liczby okrążeń, jakie jeden anyon wykonał wokół drugiego, a nie od niewielkich zmian trajektorii, jest odporna na niewielkie zakłócenia.
      Ta odporność zaś może spowodować, że topologiczne komputery kwantowe będą łatwiejsze do skalowania niż obecnie wykorzystywane technologie komputerów kwantowych, które są bardzo podatne na błędy. Microsoft, dla którego zresztą Manfra pracuje jako zewnętrzny konsultant, jest jedyną firmą pracującą obecnie nad topologicznymi komputerami kwantowymi. Inni giganci, jak IBM, Intel Google i Honeywell, udoskonalają inne technologie.
      Jednak do wykorzystania anyonów w komputerach kwantowych jest jeszcze daleka droga. Obecne odkrycie jest ważniejsze z punktu widzenia fizyki niż informatyki kwantowej. Dla mnie, jako teoretyka zajmującego się materią skondensowaną, kwazicząstki są równie fascynujące i egzotyczne jak bozon Higgsa, mówi Rosenow.
      Ze szczegółami pracy Manfry i jego zespołu można zapoznać się na łamach arXiv.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Polak, profesor Artur Ekert, wykorzystał chińskiego satelitę Micius do zabezpieczenia za pomocą splątania kwantowej dystrybucji klucza szyfrującego (QKD) na rekordową odległość 1120 kilometrów. Został on przesłany pomiędzy dwoma chińskimi obserwatoriami. Ekert już w swojej pracy doktorskiej wykazał, jak wykorzystać splątanie kwantowe do zabezpieczenia informacji. Obecnie uczony specjalizuje się w przetwarzaniu informacji w systemach kwantowo-mechanicznych.
      Satelita Micius został wystrzelony w 2016 roku. Generuje on kwantowo splątane pary fotonów. Już w 2017 roku Micius udowodnił, że jest w stanie wysłać splątane fotony do odbiorców oddalonych od siebie o 1200 kilometrów. Teraz wiemy, że możliwe jest też wykorzystanie go do kwantowej dystrybucji klucza szyfrującego (QKD) zabezpieczonej za pomocą splątania kwantowego.
      Ekert i jego grupa znacząco poprawili rekord w odległości kwantowej dystrybucji klucza szyfrującego. Dotychczas udało się go przesłać na odległość 100 kilometrów za pomocą światłowodu. Światłowody są dobre na średnie odległości, jakieś 30 do 50 kilometrów. Jednak generują zbyt duży szum na dłuższych dystansach, wyjaśnia uczony.
      Najnowszy system komunikacji charakteryzuje odsetek błędów rzędu 4,5%. To niezwykle ważna cecha przyszłych systemów komunikacji kwantowej, gdyż jakakolwiek próba jej podsłuchania skończy się zwiększeniem odsetka błędów. Zatem niezwykle ważne jest, by znajdował się on na niskim poziomie, gdyż w ten sposób łatwo będzie wyłapać dodatkowe błędy i odkryć próbę podsłuchu.
      Prace Ekerta i jego chińskich kolegów to pierwszy, ale niezwykle ważny krok w kierunku bezpiecznego kwantowego internetu. Jak czytamy na łamach Nature, QKD pozwala dobrze zabezpieczyć przesyłaną informację. W laboratoriach udało się go przesłać za pomocą światłowodu na odległość 404 kilometrów, jednak w praktyce granicą jest 100 kilometrów. Co prawda odległość tę można zwiększyć, ale wymaga to zastosowania przekaźników. Te zaś stanową słabe punkty systemu. Długodystansową kwantową dystrybucję klucza można by zabezpieczyć za pomocą splątania kwantowego, jednak to wymagałoby zastosowania kwantowych przekaźników, których technologia jest dopiero w powijakach i nie nadaje się do zastosowań w praktyce.
      Stąd też pomysł na wykorzystanie satelity, który pozwala wysłać dane na większą odległość bez konieczności uciekania się do pomocy zaufanych stacji przekaźnikowych. Dzięki wyspecjalizowanemu satelicie oraz obserwatoriom wyposażonym w odpowiednie urządzenia udało się dokonać zabezpieczonej splątaniem kwantowej dystrybucji klucza pomiędzy ośrodkami oddalonymi od siebie w linii prostej o 1120 kilometrów.
      Tempo przesyłania klucza wynosiło 0,12 bita na sekundę. Prędkość nie jest oczywiście imponująca, jednak Ekert i naukowcy z Hefei, Szanghaju, Chengdu i Singapuru wykazali, że można wysyłać superbezpieczne dane na duże odległości minimalizując liczbę urządzeń, przez które one przechodzą.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Inżynierowe z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii (UNSW) w Sydney uzyskali sztuczne atomy w krzemowych kropkach kwantowych. Były one bardziej stabilne niż atomy naturalne, zatem poprawiały stabilność całego układ kwantowego.
      Profesor Andew Dzurak wyjaśnia, że sztuczne atomy nie posiadał y jądra, ale miały elektrony krążące wokół centrum urządzenia. Pomysł na stworzenie sztucznych atomów z elektronów nie jest niczym nowym. Teoretycznie zaproponowano je już w latach 30. ubiegłego wieku, a w latach 90. udało się je uzyskać, chociaż nie na krzemie. My po raz pierwszy wytworzyliśmy proste atomy na krzemie w roku 2013.
      Jednak naszym najważniejszym osiągnięciem jest uzyskanie sztucznych atomów z większą liczbą elektronów niż wcześniej było możliwe, co oznacza, że będzie można takie atomy wykorzystać do wiarygodnych obliczeń w komputerach kwantowych. To bardzo ważne, gdyż kubity bazujące na jednym elektronie są bardzo zawodne.
      Jak wyjaśnia profesor Dzurak okazało się, że gdy stworzymy sztuczne atomy w naszych kwantowych obwodach, one również mają dobrze zorganizowane w sposób przewidywalny powłoki elektronowe, podobnie jak naturalne atomy.
      Profesor Dzurak wraz z zespołem skonfigurowali kwantowe urządzenia tak, by przetestować stabilność elektronów w sztucznym atomie. Wykorzystali napięcie elektryczne, by przyciągnąć elektrony i stworzyć z nich kwantową kropkę o średnicy około 10 nanometrów. W miarę jak powoli zwiększaliśmy napięcie, przyciągaliśmy kolejne elektrony i tak, jeden po drugim, tworzyliśmy z nich sztuczny atom w kwantowej kropce, wyjaśnia doktor Andre Saraiva, który odpowiadał za teoretyczną stronę badań.
      W prawdziwym atomie w środku mamy ładunek dodatni, czyli jądro, wokół którego na trójwymiarowych orbitach krążą elektrony o ładunku ujemnym. W naszym przypadku nie mieliśmy dodatnio naładowanego jądra, a ładunek dodatni pochodził z elektrody oddzielonej od krzemu warstwą tlenku krzemu oraz elektrony zawieszone pod nią. Każdy z nich krąży wokół centrum kwantowej kropki. Nie tworzą tam sfery, ale raczej płaski dysk.
      Naukowców interesowało szczególnie, co się stanie, gdy do istniejących elektronów doda się kolejny, który zajmie najbardziej zewnętrzną powłokę. Okazało się, że taki elektron może zostać użyty w roli kubitu. Dotychczas niedoskonałości krzemu na poziomie atomowym zaburzały zachowania kubitów, prowadząc do niestabilności i błędów. Wydaje się jednak, że elektrony znajdujące się na wewnętrznych powłokach działają jak „podkład” na niedoskonałym podłożu, zapewniając stabilność elektronu na zewnętrznej powłoce, wyjaśniają.
      Profesor Dzurak dodaje, że wartość kubitu została zakodowana w spinie elektronu. Gdy elektrony, czy to w sztucznym czy w naturalnym atomie, utworzą powłokę, ustawiają swoje spiny w przeciwnych kierunkach, więc spin całości wynosi 0 i jest ona la nas nieprzydatna. gdy jednak dodamy nowy elektron na nowej powłoce, zyskujemy nową spin, który możemy wykorzystać jako kubit. Wykazaliśmy, ze jesteśmy w stanie kontrolować spin elektronów na zewnętrznych powłokach, zyskując w ten sposób stabilne wiarygodne kubity. To bardzo ważne, gdyż to oznacza, że możemy teraz pracować z mniej delikatnymi kubitami. Pojedynczy elektron jest niezwykle delikatny. Ale sztuczny atom z 5 czy 13 elektronami jest znacznie bardziej odporny.
      Zespół profesora Dzuraka był pierwszym, który już w 2015 roku zaprezentował kwantową bramkę logiczną na krzemie. Wcześniej, również jako pierwsi, uzyskali kubit na krzemie. W ubiegłym zaś roku jako pierwsi zmierzyli dokładność dwukubitowych operacji logicznych na krzemie.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...