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

Komputery kwantowe trzeba będzie zakopywać pod ziemią lub otaczać ołowiem?

Recommended Posts

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

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
      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
      Naukowcy z University of Chicago’s Pritzker School of Molecular Engineering ogłosili, że za pomocą prostej modyfikacji aż o 10 000 razy wydłużyli czas trwania koherencji stanu kwantowego. Co prawda udało się to w dość szczególnym przypadku kubitów w ciele stałym, ale uczeni twierdzą, że ich technika powinna sprawdzić się też w wielu innych systemach kwantowych.
      To przełom, który kładzie podwaliny pod nowe badania w dziedzinie nauk kwantowych. Szeroka możliwość zastosowania tego odkrycia w połączeniu z niezwykle prostą implementacją wskazuje, że będzie to miało zastosowanie w wielu aspektach inżynierii kwantowej. Pozwala to na prowadzenie nowych rodzajów badań, które dotychczas były uważane za niepraktyczne, wyjaśnia główny autor badań, profesor David Awschalom.
      Stany kwantowe są niezwykle delikatne. Ulegają zniszczeniu pod wpływem oddziaływania z zewnątrz. Jeden ze sposobów na ich zachowanie jest fizyczne odizolowanie systemu od otoczenia, sposób drugi to tworzenie jak najbardziej czystych materiałów. Obie metody są trudne i kosztowne. Naukowcy z Chicago znaleźli trzeci sposób.
      Nie próbujemy wyeliminować szumu z otoczenia. Przekonujemy system, że nie doświadcza szumu, mówi jeden z badaczy, Kevin Miao. Naukowcy wykorzystali standardowe impulsy elektromagnetyczne używane do kontroli systemów kwantowych, ale dodatkowo zaaplikowali wciąż zmieniające się pole magnetyczne. Dzięki jego precyzyjnemu dostrojeniu byli w stanie szybko zmieniać spin elektronów, dzięki czemu system wyłącza szum. To tak, jakbyśmy siedzieli na karuzeli, a wokół byliby krzyczący ludzie. Jeśli karuzela się nie porusza, wszystko dobrze słyszymy. Jednak jeśli się bardzo szybko kręci, ich krzyki zlewają się z tłem, wyjaśnia Miao.
      Ta niewielka zmiana spowodowała, że koherencję systemu kwantowego udało się utrzymać przez 22 milisekundy. To 4 rzędy wielkości więcej niż dotychczasowy rekord utrzymania koherencji systemu opartego na spinie elektronu. Nowy system jest w stanie niemal całkowicie wyłączyć niektóre formy fluktuacji temperatury, wibracji czy zakłóceń elektromagnetycznych.
      Awschalom nie wyklucza, że nowy system uda się skalować. Powinno to pozwolić na opracowanie praktycznych metod przechowywania informacji w spinie elektronu. Przedłużony czas koherencji pozwoli zaś komputerowi kwantowemu na przeprowadzenie bardziej złożonych operacji, umożliwi przesłanie na dłuższe odległości informacji kantowej z urządzeń bazujących na spinie, stwierdza uczony.
      Naukowcy twierdzą też, że – w przeciwieństwie do wielu innych dotychczasowych technik – ich wynalazek można zastosować w wielu różnych systemach kwantowych. Wiele interesujących technologii kwantowych zostało odłożonych na półkę, gdyż nie udawało się w nich utrzymać koherencji przez odpowiednio długi czas. Teraz – dzięki znaczącemu wydłużeniu czasu koherencji – będzie można do nich wrócić. A najlepsze, że można to tak niewiarygodnie łatwo osiągnąć. Podstawy teoretyczne naszej techniki są bardzo skomplikowane, jednak sama technika polegająca na dodaniu zmieniającego się pola magnetycznego jest bardzo prosta, mówi Miao.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W marcu przedstawiciele firmy Honeywell zapowiadali, że w ciągu trzech miesięcy zaprezentują najpotężniejszy komputer kwantowy na świecie. Słowa dotrzymali. Firma poinfomrmowała właśnie, że jej system uzyskał największą wartość „kwantowej objętości”.
      Miara Quantum Volume (QV) została opracowana przez IBM-a. Trzeba jednak podkreślić, że nie jest powszechnie akceptowaną skalą pomiaru wydajności komputerów kwantowych. Nie jest też jasne, jak ma się ona do „kwantowej supremacji” ogłoszonej przez Google'a w ubiegłym roku. Przypomnijmy, że Google ogłosił ją twierdząc, że jego komputer wykonał w ciągu 200 sekund obliczenia, na które klasyczny superkomputer potrzebowałby 10 000 lat, zatem nie wykona ich w rozsądnym czasie. Przedstawiciele IBM-a poinformowali, że to naciągane stwierdzenia, gdyż klasyczny superkomputer poradziłby sobie z nimi w 2,5 doby.
      QV ma być obiektywnym, niezależnym od użytego sprzętu czy rozwiązań technologicznych, sposobem pomiary wydajności komputera kwantowego. Bierze on pod uwagę liczbę kubitów, błędy pomiarowe czy wydajność komputera. Honeywell informuje, że wartość QV jego 6-kubitowego systemu wynosi 64. Zdecydowanie pokonał więc najpotężniejszy z komputerów oceniany tym systemem, IBM-owską 53-kubitową maszynę Raleigh, która osiągnęła QV=32.
      Mimo, że QV nie jest powszechnie akceptowaną miarą, to Honeywell uważa, że jest najlepszą z dostępnych. Bierze ona pod uwagę nie tylko liczbę dostępnych kubitów, mówi Tony Uttlej, prezes działu Quantum Solutions w Honeywell. Jak wyjaśnia, sama liczba kubitów niewiele mówi o możliwościach komputera kwantowego, gdyż w prawdziwych obliczeniach niekoniecznie odnosi się korzyści z większej liczby kubitów.
      Maszyna Honeywella wykorzystuje jony iterbu uwięzione w pułapce elektromagnetycznej. Kubit jest reprezentowany przez spin jonów. Całość chłodzona jest ciekłym helem do temperatur niewiele wyższych od zera absolutnego. Lasery manipulują kubitami, przeprowadzając obliczenia. Główną zaletą tego systemu i tym, co dało mu przewagę w QV jest długotrwałe – trwające kilka sekund – utrzymanie stanu kwantowego kubitów. Tak długi czas koherencji pozwala na wykonanie niezbędnych pomiarów stanu kubitów.
      Honeywell twierdzi zatem, że posiada najpotężniejszy komputer kwantowy na świecie. Firma ma zamiar udostępniać go komercyjnie. Inne przedsiębiorstwa będą mogły dzięki temu wykonywać złożone obliczenia. Uttley mówi, że godzina korzystania z komputera zostanie wyceniona na około 10 000 USD. Firma nie zdradza ilu ma w tej chwili klientów. Poinformowała jednak, że jednym z nich jest bank JPMorgan Chase, którego eksperci wykorzystują maszynę Honeywella do budowania modelu wykrywania oszustw bankowych. Firmy, które nie zatrudniają własnych specjalistów ds. obliczeń kwantowych mogą zaś korzystać z maszyny za pośrednictwem firm Zapata Computing i Cambridge Quantum Computing.

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