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

Nanofotoniczne pułapki z jonami iterbu mogą stanowić szkielet kwantowego internetu przyszłości

Recommended Posts

Optyczne pułapki z uwięzionymi jonami iterbu mogą w przyszłości stanowić szkielet kwantowego internetu, służący do wysyłania splątanych cząstek na duże odległości. Do takich wniosków doszedł Jonathan Kindem i jego zespół z California Institute of Technology (Caltech), który zauważył, że jony iterbu pozostają splątane z fotonami przez długi czas. Co więcej, naukowcy wykazali, że stan kwantowy jonu można odczytać za pomocą lasera i mikrofal.

W laboratoriach powoli powstają kwantowe komputery. Aby w pełni wykorzystać ich możliwości, konieczne będzie stworzenie „kwantowego internetu”, za pośrednictwem którego maszyny takie będą mogły wymieniać dane. Jednak kwantowana informacja jest ze swej natury niezwykle delikatna, co oznacza, że bardzo trudno jest wysłać ją na duże odległości.

Komputery kwantowe kodują informacje w kwantowym stanie materii, na przykład w uwięzionych atomach czy obwodach nadprzewodzących. Jednak najlepszym sposobem na przesłanie takiej informacji jest wykorzystanie fotonów. Tutaj poważne wyzwanie stanowi transfer informacji z kubitów bazujących na materiałach stałych do kubitów zakodowanych w fotonach oraz z powrotem.

Kubity bazujące na materiałach stałych wchodzą w silne interakcje ze światłem, więc informację do fotonu przekazać jest łatwo. Jednak kubity w fotonach żyją bardzo krótko, przez co trudno je wykorzystać w praktyce. Z drugiej strony uwięzione atomy czy jony są zdolne do długotrwałego przechowywania kubitów, jednak słabo reagują one ze światłem. Szczególnie interesujące są tutaj jony metali ziem rzadkich.  Mają one właściwości, które pozwalają na tworzenie wyjątkowo żywotnych kubitów, jednak naukowcy mają poważne problemy, by uwięzić je w taki sposób, by można je było kontrolować za pomocą światła i by wchodziły z nim w interakcje.

Zespół Kindema wykazał, że problemy te można rozwiązać wykorzystując jony iterbu umieszczone w odpowiedniej pułapce optycznej, która intensyfikuje ich interakcję ze światłem. Pułapka taka to periodyczna struktura o długości 10 mikrometów pokryta powtarzającym się wzorcem w nanoskali. W centrum takiej struktury umieszczony został jon. Światło wielokrotnie odbija się w takiej pułapce, przez co zwiększa się prawdopodobieństwo, że wejdzie ono w interakcję z jonem.

Testy wykazały, że splątany foton pozostawał w pułapce przez ponad 99% czasu. Dzięki temu naukowcy mogli obserwować system składający się z fotonu i jonu. Okazało się, że były one splątane przez 30 mikrosekund. To wystarczająco długo, by przesłać informację na terenie kontynentalnych Stanów Zjednoczonych.

Teraz zespół Kindema pracuje nad skalowaniem swojego systemu tak, by przeprowadzić eksperyment z rzeczywistą wymianą informacji pomiędzy odległymi kubitami. W ten sposób mogłyby powstać podwaliny pod kwantowy internet, który umożliwi nie tylko wymianę kwantowych informacji, ale pozwoli też, by komputery kwantowe wspólnie dokonywały obliczeń. To zaś pozwoliłoby na przeprowadzanie niezwykle złożonych operacji na gigantycznych zbiorach danych.

Wyniki badań zostały opublikowane na łamach Nature.


« powrót do artykułu

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
      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
    • 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
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W meksykańskim mieście Tultepec odkryto dwie pułapki na mamuty. Maję one głębokość 1,7 metra i średnicę 25 metrów. Wykopano je przed 15 000 lat. Po trwających 10 lat wykopaliskach naukowcy z Narodowego Instytutu Antropologii i Historii (INAH) znaleźli tam 824 kości należące do co najmniej 14 mamutów.
      Pułapki miały pionowe ściany, więc zagonione w nie zwierzęta nie mogły się wydostać. Wewnątrz odkryto 8 czaszek, 5 szczęk dolnych, setkę kręgów, 179 żeber, 11 łopatek, 5 kości ramienia, miednicę, kości piszczelowe i wiele innych drobniejszych kości.
      Archeolodzy mówią, że prehistoryczni ludzie wykopywali pułapki obok siebie, by zwierzęta z większym prawdopodobieństwem w nie wpadały. Grupy myśliwych składały się z 20-30 osób. W czasie polowania wykorzystywali oni pochodnie, wiedząc, że zwierzęta boją się ognia. Po oddzieleniu upatrzonego osobnika od stada, goniono go w kierunku pułapek. Gdy zwierzę w nią wpadło było zabijane. W pobliżu pułapki konstruowano urządzenia, które służyły np. do transportu fragmentów ciała mamuta.
      Badania wykazały też, że prehistoryczni ludzie szanowali swoje ofiary. Kości jednego z mamutów zostały bowiem zaaranżowane w specjalny sposób. Na jego kościach zauważono bowiem zagojone ślady po wcześniejszych próbach jego zabicia przez ludzi. To zaś oznacza, że prehistoryczni myśliwi obserwowali go i próbowali zabić przez wiele lat. To dlatego uznawali go za dzielnego, walecznego i w ten sposób – przez szczególne ułożenie kości – oddali mu cześć, mówi jeden z archeologów, Luis Cordoba. Innym interesującym spostrzeżeniem jest fakt, że wśród 11 znalezionych łopatek 6 zostało zaznaczonych i wszystko to są prawe łopatki. To sugeruje istnienie rytuału, w którym lewa i prawa strona miały jakieś znaczenie.
      Archeolodzy planują wykorzystać georadar, by zbadać, czy w okolicy nie ma innych pułapek. Interesują ich też zbocza pobliskich wzgórz na których, jak sądzą, powinien znajdować się obóz myśliwych.

      « powrót do artykułu
    • 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
×
×
  • Create New...