Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy

Recommended Posts

Naukowcy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) informują o materiale, który może stać się „krzemem komputerów kwantowych”. Nowo odkryte właściwości ditellurku uranu (UTe2) wskazują, że może być on wyjątkowo odporny na jeden z największych problemów trapiących informatykę przyszłości, problem zachowania kwantowej koherencji. Stany kwantowe są niezwykle delikatne i ulegają zniszczeniu pod wpływem czynników zewnętrznych. Dotychczas nikomu nie udało się w sposób praktyczny do masowego zastosowania rozwiązać problemu istnienia kubitów (kwantowych bitów) na tyle długo, by można było przeprowadzić obliczenia zanim ich stany kwantowe ulegną zniszczeniu.

Materiałem, który może pomóc w przezwyciężeniu tych problemów jest nadprzewodzący UTe2. Okazało się bowiem, że jest on niezwykle odporny na działanie zewnętrznego pola magnetycznego, co jest ewenementem wśród nadprzewodników. Nick Butch, fizyk z NIST mówi, że ta właściwość czyni go atrakcyjnym przedmiotem badań dla specjalistów rozwijających komputery kwantowe. To potencjalny krzem wieku informatyki kwantowej. Można by użyć ditellurku uranu do uzyskania kubitów w wydajnym komputerze kwantowym, stwierdza uczony.

W zwykłych przewodnikach elektrony podróżują jako indywidualne cząstki. Jednak w nadprzewodnikach tworzą one pary Coopera, czyli oddziałujące ze sobą pary elektronów. Mają one połówkowe spiny skierowane w przeciwne strony i ich spin całkowity wynosi 0. To właśnie istnienie par Coopera zapewnia nadprzewodnictwo.

Istnieje jednak niewielka liczba nadprzewodników, i UTe2 wydaje się do nich należeć, gdzie spin par Coopera może przyjmować nie jedną, a trzy różne konfiguracje, w tym i taką, gdzie spiny obu elektronów są równoległe, a spin całkowity przyjmuje wartość -1, 0 i +1. Wówczas mówimy o nadprzewodniku topologicznym. Wykazuje on dużą odporność na działania czynników zewnętrznych. Taki równoległy spin może podtrzymać działanie komputera. W tym przypadku nie dochodzi do spontanicznego zaniku stanu z powodu fluktuacji kwantowych, mówi Butch.

Potrzebujemy topologicznych przewodników, gdyż mogą nam one zapewnić bezbłędnie działające kubity. Mogą mieć one bardzo długie czasy życie. Topologiczne nadprzewodniki to alternatywny sposób na zbudowanie komputera kwantowego, gdyż chronią one stany kwantowe przed wpływami zewnętrznymi, wyjaśnia Butch.

Wraz ze swoim zespołem prowadził on badania nad magnesami bazującymi na uranie i zainteresował się bliżej ditellurkiem uranu.

UTe2 został po raz pierwszy pozyskany w latach 70. XX wieku i nawet dość niedawne artykuły naukowe opisywały to jako nieciekawy materiał. My uzyskaliśmy go jako materiał uboczny podczas syntezy innego materiału. Postanowiliśmy go jednak zbadać, by sprawdzić, czy nie ma on jakichś właściwości, które inni przeoczyli. Szybko zdaliśmy sobie sprawę, że mamy w rękach coś specjalnego, mówi Butch.

Szczegółowe badania wykazały, że UTe2 jest w bardzo niskich temperaturach nadprzewodnikiem, a jego właściwości nadprzewodzące przypominają te rzadkie nadprzewodniki, które są jednocześnie ferromagnetykami. Jednak UTe2 nie jest ferromagnetykiem. Już samo to czyni go wyjątkowym, stwierdza Butch. Okazało się też, że jest wyjątkowo odporny na zewnętrzne pole magnetyczne. Zwykle pole magnetyczne niszczy nadprzewodnictwo. Jednak okazało się, że UTe2 wykazuje właściwości nadprzewodzące w polu magnetycznym o natężeniu do 35 tesli. To wielokrotnie więcej niż wytrzymuje większość niskotemperaturowych nadprzewodników topologicznych.

Mimo, że jeszcze nie zdobyto jednoznacznego dowodu, iż UTe2 jest nadprzewodnikiem topologicznym, Butch mówi, że jego niezwykła odporność na działanie pola magnetycznego wskazuje, że jest nadprzewodnikiem, w którym pary Coopera przyjmują różne wartości spinu.

Zdaniem naukowców z NIST dalsze badania nad tym materiałem pozwolą nam lepiej zrozumieć jego właściwości oraz, być może, samo zjawisko nadprzewodnictwa. Może zrozumiemy, co stabilizuje tego typu nadprzewodniki. Głównym celem prac nad nadprzewodnikami jest bowiem zrozumienie tego zjawiska na tyle, byśmy wiedzieli, gdzie szukać materiałów nadprzewodzących. Teraz tego nie potrafimy. Nie wiemy, co jest ich główną cechą. Mamy nadzieję, że ten materiał nam to zdradzi, dodaje Butch.


« powrót do artykułu

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
      Grupa fizyków z australijskiego Uniwersytetu Nowej Południowej Walii (University of New South Wales, UNSW) opracowała najszybszą bramkę kwantową w historii. Na czele zespołu stoi profesor Michelle Simmons, znana z ważnych osiągnięć na polu informatyki kwantowej.
      Australijczycy zbudowali dwukubitową bramkę kwantową na krzemie, która przeprowadziła operację logiczną w czasie 0,8 nanosekundy. To 200-krotnie szybciej niż inne istniejące bazujące na spinie bramki dwukubitowe.
      Zespół profesor Simmons bazował na swoich wcześniejszych przełomowych pracach, kiedy to dzięki niezwykłej precyzji pomiarów jako pierwsi wykazali, że dwa kubity wchodzą w interakcje. Zespół profesor Simmons jest jedynym na świecie, który potrafi dokładnie określić pozycję kubitów w ciele stałym.
      Australijczycy zbudowali bramkę umieszczając dwa atomy bliżej siebie niż kiedykolwiek wcześniej, a nastepnie, w czasie rzeczywistym, w sposób kontrolowany obserwując i mierząc ich spiny. Ich unikatowe podejście polega na umieszczaniu kubitów oraz całej elektroniki potrzebnej do inicjalizacji, kontroli i pomiarów ich stanów z taką precyzją, jaka do niedawna wydawała się niemożliwa. Teraz naukowcy pracują nad przełożeniem swojej technologii na praktyczne skalowalne zastosowania, które pozwolą na seryjną budowę procesorów.
      Rekord najdłuższej koherencji na krzemie należy do atomowych kubitów. Dzięki wykorzystaniu naszej unikatowej technologii byliśmy w stanie z wysokim stopniem dokładności odczytać i inicjalizować pojedyncze spiny elektronów w atomowych kubitach na krzemie. Wykazaliśmy tez, że nasz system charakteryzuje się najniższym szumem elektronicznym spośród wszystkich systemów wykorzystujących kubity na półprzewodniku. Teraz zoptymalizowaliśmy wszystkie elementy naszej technologii, dzięki czemu uzyskaliśmy naprawdę szybko, dokładną dwukubitową bramkę, która jest podstawowym budulcem krzemowego komputera kwantowego. Wykazaliśmy, że możliwa jest kontrola w skali atomowej i daje to olbrzymie korzyści, w tym niezwykłą prędkość działania naszego systemu, cieszy się profesor Simmons.
      Dziekan Wydziału Nauk Ścisłych, profesor Emma Johnston dodaje: To jeden z ostatnich kamieni milowych, jakie zespół Michelle musiał osiągnąć, by wybudować komputer kwantowy na krzemie. Ich kolejnym celem jest stworzenie 10-kubitowego obwodu scalonego. Mamy nadzieję, że osiągną to w ciągu 3–4 lat.
      Zespół Simmons najpierw wykorzystał skaningowy mikroskop tunelowy do określenia optymalnej odległości pomiędzy dwoma kubitami. Opracowana przez nas technologia produkcji pozwoliła na umieszczenie kubitów dokładnie tam, gdzie chcieliśmy. Dzięki temu kubitowa bramka była tak szybka, jak to tylko możliwe, mówi współautor badań Sam Gorman. Nie tylko umieściliśmy kubity bliżej niż podczas naszych poprzednich przełomowych badań, ale nauczyliśmy się kontrolować z precyzją subnanometrową wszystkie aspekty naszej architektury.
      Następnie naukowcy byli w stanie w czasie rzeczywistym mierzyć stany kubitów oraz – co chyba najważniejsze – kontrolowali siłę interakcji pomiędzy dwoma elektronami w przedziałach czasowych sięgających nanosekund. Mogliśmy oddalać i przybliżać do siebie elektrony i w ten sposób włączać i wyłączać interakcje pomiędzy nimi, dodaje inny uczestnik badań, Yu He. Zaprezentowana przez nas bramka kwantowa, zwaną bramką SWAP, jest idealnie przystosowana do wymiany informacji kwantowej pomiędzy kubitami, a po połączeniu z bramką z pojedynczego kubity pozwala na wykonanie dowolnego algorytmu kwantowego.
      Najnowsze osiągnięcie to ukoronowanie 20 lat pracy. To olbrzymi postęp. Możemy kontrolować naturę na najniższym poziomie, możemy więc tworzyć interakcje pomiędzy dwoma atomami, a także wchodzić w interakcje z jednym z nich, nie zaburzając stanu drugiego. To coś niewiarygodnego. Wiele osób sądziło, że jest to niemożliwe. Tym, co zachęcało nas do pracy było przypuszczenie, że jeśli uda się nam kontrolować zjawiska w tej skali, to będą one przebiegały niezwykle szybko. I tak rzeczywiście jest, ekscytuje się Simmons.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Po raz pierwszy w historii zmierzono dokładność dwukubitowych operacji logicznych w krzemie. Dokonał tego zespół prof. Andrew Dzuraka z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii (UNSW), który w 2015 jako pierwszy stworzył dwukubitową bramkę logiczną w krzemie.
      Wszystkie obliczenia kwantowe mogą składać się z jedno- i dwukubitowych operacji. To podstawowe budulce obliczeń kwantowych. Gdy je mamy, możemy wykonać dowolne obliczenia kwantowe, jednak precyzja obu tych rodzajów obliczeń musi być bardzo wysoka, wyjaśnia profesor Dzurak.
      Od czasu, gdy w 2015 roku zespół Dzuraka stworzył pierwszą dwukubitową bramkę logiczną umożliwiając w ten sposób prowadzenie obliczeń z użyciem dwóch kubitów, wiele zespołów naukowych zaprezentowało podobne konstrukcje. Jednak dotychczas nie była znana dokładność obliczeń dokonywanych za pomocą takich bramek
      Precyzja obliczeń to kluczowy parametr, który decyduje o tym, na ile dana technologia kwantowa może zostać zastosowana w praktyce. Potęgę obliczeń kwantowych można wykorzystać tylko wtdy, jeśli operacja na kubitach są niemal idealne, dopuszczalne są minimalne błędy, mówi doktor Henry Yang, współpracownik Dzuraka.
      Australijscy naukowcy opracowali test oparty na geometrii Clifforda i za jego pomocą ocenili wiarygodność dwukubitowej bramki logicznej na 98%. Osiągnęliśmy tak wysoką dokładność dzięki zidentyfikowaniu i wyeliminowaniu podstawowych źródeł błędów, poprawiając w ten sposób dokładność obliczeń do takiego stopnia, że zrandomizowany test o znaczącej dokładności – tutaj 50 operacji na bramce – może zostać przeprowadzony na naszym dwukubitowym urządzeniu, dodał doktorant Wister Huang, główny autor artykułu, który opublikowano na łamach Nature.
      Komputery kwantowe będą mogły rozwiązać problemy, z którymi klasyczne komputery nigdy nie będą w stanie sobie poradzić. Jednak większość tych zastosowań będzie wymagała użycia milionów kubitów, więc będziemy musieli korygować błędy kwantowe, nawet jeśli będą one niewielkie. Aby korekcja tych błędów byla możliwa, same kubity muszą być niezwykle dokładne. Dlatego też podstawową rzeczą jest ocena ich dokładności. Im bardziej dokładne kubity, tym mniej będziemy ich potrzebowali, a zatem tym szybciej będziemy w stanie wyprodukować prawdziwy komputer kwantowy, dodaje profesor Dzurak.
      Australijczycy zauważają jeszcze jedną świetną informację, która płynie z ich badań. Otóż krzem po raz kolejny dowiódł,; że jest świetną platformą obliczeniową. Jako, że materiał ten jest wykorzystywany w przemyśle elektronicznym od niemal 60 lat jego właściwości, ograniczenia i problemy z nim związane zostały dobrze poznane, zatem już istniejące fabryki będą w stanie przestawić się na nową technologię.
      Jeśli okazałoby się, że dokładność kwantowych obliczeń na krzemie jest zbyt niska, to mielibyśmy poważny problem. Fakt, że wynosi ona blisko 99% to bardzo dobra wiadomość. Daje nam to możliwość dalszych udoskonaleń. To pokazuje, że krzem jest odpowiednia platformą dla prawdziwych komputerów kwantowych, cieszy się Dzurak. Myślę, że w najbliższej przyszłości osiągniemy znacznie większą dokładność i otworzymy w ten sposób drzwi do zbudowania prawdziwego odpornego na błędy komputera kwantowego. Obecnie jesteśmy bliscy granicy, poza którą w dwukubitowych systemach będzie można zastosować korekcję błędów, dodaje.
      Warto w tym miejscu przypomnieć, że niedawno zespół Dzuraka poinformował na łamach Nature Electronics o osiągnięciu rekordowej dokładności jednokubitowej bramki logicznej. Wyniosła ona 99,96%.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Badacze IBM-a postawili sobie ambitny cel. Chcą co roku dwukrotnie zwiększać wydajność komputerów kwantowych tak, by w końcu były one szybsze lub bardziej wydajne niż komputery klasyczne. Podczas tegorocznych targów CES IBM pokazał przełomowe urządzenie: IBM Q System One, pierwszy komputer kwantowy, który ma być gotowy do komercyjnego użytku.
      Celem IBM-a jest coś, co nazywają „Quantum Advantage” (Kwantowa przewaga). Zgodnie z tym założeniem komputery kwantowe mają zyskać „znaczną” przewagę nad komputerami klasycznymi. Przez „znaczną” rozumie się tutaj system, który albo będzie setki lub tysiące razy szybszy od komputerów kwantowych, albo będzie wykorzystywał niewielki ułamek pamięci potrzebny maszynom kwantowym lub też będzie w stanie wykonać zadania, jakich klasyczne komputery wykonać nie są.
      Wydajność komputera kwantowego można opisać albo za pomocą tego, jak sprawują się poszczególne kubity (kwantowe bity), albo też jako ogólną wydajność całego systemu.
      IBM poinformował, że Q System One może pochwalić się jednym z najniższych odsetków błędów, jakie kiedykolwiek zmierzono. Średni odsetek błędów na dwukubitowej bramce logicznej wynosi mniej niż 2%, a najlepszy zmierzony wynik to mniej niż 1%. Ponadto system ten jest bliski fizycznemu limitowi czasów koherencji, który w w przypadku Q System One wyniósł średnio 73 ms.To oznacza, że błędy wprowadzane przez działanie urządzenia są dość małe i zbliżamy się do osiągnięcia minimalnego możliwego odsetka błędów, oświadczyli badacze IBM-a.
      Błękitny Gigant stworzył też Quantum Volume, system pomiaru wydajności komputera kwantowego jako całości. Bierze on pod uwagę zarówno błędy na bramkach, błędyh pomiarów czy wydajność kompilatora. Jeśli chcemy osiągnąć Quantum Advantage w latach 20. XXI wieku, to każdego roku wartość Quantum Volume musi się co najmniej podwajać, stwierdzili badacze. Na razie udaje im się osiągnąć cel. Wydajność pięciokubitowego systemu Tenerife z 2017 roku wynosiła 4. W 2018 roku 20-kubitowy system IBM Q osiągnął w teście Quantum Volume wynik 8. Najnowszy zaś Q System One nieco przekroczył 16.
      Sądzimy, że obecnie przyszłość komputerów to przyszłość komputerów kwantowych, mówią specjaliści z IBM-a.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      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
×
×
  • Create New...