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

Niemcy stworzyli kwantową bramkę logiczną między dwoma kubitami w dwóch różnych laboratoriach

Recommended Posts

Niemieccy naukowcy z Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka przeprowadzili operację na bramce logicznej, w której wzięły udział dwa kubity znajdujące się w dwóch różnych laboratoriach. Ich osiągnięcie to bardzo ważny krok w kierunku kwantowego przetwarzania rozproszonego. Może to pozwolić na zbudowanie modułowych systemów obliczeniowych, składających się z urządzeń stojących w różnych miejscach, ale działających jak jeden wielki komputer.

Dodanie kolejnego kubitu do kwantowego komputera nie jest łatwym zadaniem. Kubity muszą być w stanie przeprowadzać operacje logiczne, a jednocześnie muszą być odizolowane od wpływów zewnętrznych (szumu), które mogą zniszczyć ich stan kwantowy.

Bardzo istotnym źródłem szumu w systemach kwantowych jest interferencja pomiędzy samymi kubitami. Jeśli np. mamy system składający się z 4 kubitów, a chcemy przeprowadzić obliczenia z udziałem tylko 2 z nich, to wciąż istnienie ryzyko interakcji pomiędzy kubitami, które nie biorą udziału w obliczeniach. Im więcej zaś kubitów w systemie, tym większy problem szumu.

Jednym ze sposobów poradzenia sobie z tym problemem jest rozproszenie kubitów pomiędzy różne urządzenia. To jednak wymaga zintegrowania operacji logicznych prowadzonych za pomocą tych urządzeń. Jeśli po prostu wykonamy obliczenia na jednym takim module i prześlemy wyniki do opracowania do innego modułu, to wciąż nie zwiększamy dostępnej mocy obliczeniowej, mówi Severin Daiss z Instytutu Optyki Kwantowej.

Dlatego też dużym zainteresowaniem naukowców cieszy się koncepcja teleportacji za pomocą bramek kwantowych. To pomysł zgodnie z którym dane wyjściowe na kwantowej bramce logicznej są zależne od danych wejściowych na bramce, znajdującej się gdzieś indziej.

Daiss i jego koledzy pracujący pod kierunkiem profesora Gerharda Rempe zaprezentowali znacząco uproszczoną technikę, która bazuje na interakcji fotonu z modułami w dwóch różnych laboratoriach. W każdym z tych laboratoriów naukowcy stworzyli wnękę optyczną zawierającą atom rubidu. Urządzenia zostały połączone światłowodem o długości 60 metrów. W celu ustanowienia bramki logicznej naukowcy wysłali foton, działający jak „latający kubit”, między obiema wnętami. Wędrował on pomiędzy nimi, dzięki czemu uzyskano splątanie jego polaryzacji ze stanem energetycznym atomów rubidu. Powstała w ten sposób bramka CNOT, której stan można odczytać mierząc stan fotonu.

Ronald Hanson z Uniwersytetu Technologicznego w Delft uważa, że prace Niemców to ważny krok naprzód. Spowodowali, że foton odbił się od jednej strony, przemieścił w drugą i dokonał pomiaru. Od strony koncepcyjnej jest to niezwkle proste, a oni wykazali że to działa. Myślę, że to prawdziwa nowość na tym polu.

Szczegóły eksperymentu opisano na łamach Science.


« 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
      Fizycy z Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms stworzyli specjalny typ komputera kwantowego, zwany programowalnym symulatorem kwantowym, który operuje na 256 kubitach. To niezwykle ważny krok w kierunku maszyn kwantowych działających na duża skalę. Wchodzimy na teren, którego dotychczas nikt nie badał, mówi profesor Mikhail Lukin, jeden z głównych autorów badań. To zupełnie nowa część kwantowego świata.
      Połączenie bezprecedensowej liczby kubitów oraz możliwości ich programowania jest tym, co stawia nowy system na czele kwantowego wyścigu i pozwoli badać niedostępne dotychczas zagadnienia z dziedziny informatyki kwantowej. Trzeba bowiem pamiętać, że w odpowiednich warunkach dokładanie kolejnych kubitów do kwantowego systemu pozwala na wykładniczy wzrost ilości przechowywanej i przetwarzanej informacji. Liczba stanów kwantowych, jakie możemy zapisać w zaledwie 256 kubitach jest większa, niż liczba atomów w Układzie Słonecznym, wyjaśnia Sepher Ebadi, student Graduate School of Arts and Sciences i główny autor badań.
      Już teraz symulator pozwolił na przeprowadzenie obserwacji wielu egzotycznych stanów kwantowych, których nigdy wcześniej nie uzyskano. Naukowcy wykorzystali go też do badania kwantowego przejścia fazowego z niezwykle duża dokładnością, dzięki czemu poznali kolejne szczegóły działania magnetyzmu na poziomie kwantowym. Tego typu eksperymenty pozwalają zarówno udoskonalać komputery kwantowe, jak i opracowywać nowe materiały o egzotycznych właściwościach.
      Twórcy maszyny zbudowali ją w oparciu o opracowaną przez siebie platformę, która w 2017 roku osiągnęła wielkość 51 kubitów. System ten składał się z ultrazimnych atomów rubidu uwięzionych w pułapce i ułożonych w jednowymiarową matrycę za pomocą szczypiec optycznych, na które składały się promienie lasera. W nowym systemie ułożono dwuwymiarową matrycę atomów, dzięki czemu możliwe stało się zwiększenie liczby kubitów z 51 do 256. Za pomocą szczypiec optycznych naukowcy mogą układać atomy we wzory i tworzyć programowalne kształty, np. kwadraty, plastry miodu itp, uzyskując różne interakcje pomiędzy kubitami.
      Głównym elementem całości jest urządzenie zwane przestrzennym modulatorem światła, które jest wykorzystywane do nadawania kształtu optycznej powierzchni falowej, dzięki czemu uzyskujemy setki indywidualnych szczypiec optycznych. To takie samo urządzenie, jak te używane w projektorach wyświetlających obrazy na ekranie, jednak my zaadaptowaliśmy je na potrzeby naszego symulatora kwantowego, wyjaśnia Ebadi.
      Początkowe ułożenie atomów w szczypcach optycznych jest przypadkowe. Naukowcy używają więc drugiej pary szczypiec do przeciągnięcia atomów na zaplanowane pozycje. Dzięki laserom mają całkowitą kontrolę nad pozycją kubitów i mogą nimi manipulować.
      Obecnie trwają prace nad udoskonaleniem systemu poprzez poprawę kontroli nad kubitami i uczynienie go łatwiejszym w programowaniu. Naukowcy szukają też nowych zastosowań dla swojego systemu, od badania egzotycznych stanów materii kwantowej po rozwiązywanie rzeczywistych problemów, z którymi na co dzień się spotykamy.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Rozwiązaniem problemu pomiędzy szybkością działania komputerów kwantowych a koherencją kubitów może być zastosowanie dziur, twierdzą australijscy naukowcy. To zaś może prowadzić do powstania kubitów nadających się do zastosowania w minikomputerach kwantowych.
      Jedną z metod stworzenia kubitu – kwantowego bitu – jest wykorzystanie spinu elektronu. Aby uczynić komputer kwantowy tak szybkim, jak to tylko możliwe, chcielibyśmy mieć możliwość manipulowania spinami wyłącznie za pomocą pola elektrycznego, dostarczanego za pomocą standardowych elektrod.
      Zwykle spiny nie reagują na pole elektryczne, jednak z niektórych materiałach spiny wchodzi w niebezpośrednie interakcje z polem elektrycznym. Mamy tutaj do czynienia z tzw. sprzężeniem spinowo-orbitalnym. Eksperci zajmujący się tym tematem obawiają się jednak, że gdy taka interakcja jest zbyt silna, wszelkie korzyści z tego zjawiska zostaną utracone, gdyż dojdzie do dekoherencji i utraty kwantowej informacji.
      Jeśli elektrony zaczynają wchodzić w interakcje z polami kwantowymi, które im aplikujemy w laboratorium, są też wystawione na niepożądane zmienne pola elektryczne, które istnieją w każdym materiale. Potocznie nazywamy to „szumem”. Ten szum może zniszczyć delikatną informację kwantową, mówi główny autor badań, profesor Dimi Culcer z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii.
      Nasze badania pokazują jednak, że takie obawy są nieuzasadnione. Nasze teoretyczne badania wykazały, że problem można rozwiązać wykorzystując dziury – które można opisać jako brak elektronu – zachowujące się jak elektrony z ładunkiem dodatnim, wyjaśnia uczony.
      Dzięki wykorzystaniu dziur kwantowy bit może być odporny na fluktuacje pochodzące z tła. Co więcej, okazało się, że punkt, w którym kubit jest najmniej wrażliwy na taki szum, jest jednocześnie punktem, w którym działa on najszybciej. Z naszych badań wynika, że w każdym kwantowym bicie utworzonym z dziur istnieje taki punkt. Stanowi to podstawę do przeprowadzenia odpowiednich eksperymentów laboratoryjnych, dodaje profesor Culcer.
      Jeśli w laboratorium uda się osiągnąć te punkty, będzie można rozpocząć eksperymenty z utrzymywaniem kubitów najdłużej jak to możliwe. Będzie to też stanowiło punkt wyjścia do skalowania kubitów tak, by można było je stosować w minikomputerach.
      Wiele wskazuje na to, że takie eksperymenty mogą zakończyć się powodzeniem. Profesor Joe Salfi z University of British Columbia przypomina bowiem: Nasze niedawne eksperymenty z kubitami utworzonymi z dziur wykazały, że w ich wypadku czas koherencji jest dłuższy, niż się spodziewaliśmy. Teraz widzimy, że nasze obserwacje mają solidne podstawy teoretyczne. To bardzo dobry prognostyk na przyszłość.
      Praca Australijczyków została opublikowana na łamach npj Quantum Information.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Daliście się nabrać na przypadkowe przełączenie i uruchomienie Zooma na maszynie kwantowej? :)
      Międzynarodowy zespół naukowy wykorzystał Sycamore, kwantowy komputer Google'a, do obsługi oprogramowania wideokonferencyjnego Zoom. Eksperci mają nadzieję, że dzięki współpracy z komputerem kwantowym – który wykazał swoją przewagę w niektórych zadaniach nad komputerami klasycznymi – możliwe będzie umieszczenie uczestników rozmowy w więcej niż jednym wirtualnym pokoju.
      Autorzy badań nad „kwantową przewagą Zooma” twierdzą, że do jej zauważenia doszło przypadkiem. Miało to miejsce, gdyż Benedetta Brassard, fizyk kwantowa z University of Waterloo, przypadkowo połączyła Zooma z Sycamore podczas online'owego spotkania. Brassard pracuje w ramach International Fault Tolerant Benchmarking Team (FiT/BiT). Brałam udział w online'owym spotkaniu FiT/Bit i postanowiłam na chwilę przełączyć się na panel Sycamore'a, by sprawdzić, jak idą moje kwantowe obliczenia. W tym momencie Brassard otrzymała mema dotyczącego algorytmu Shora. Mem ją rozproszył i w jakiś sposób uczona podłączyła swojego Zooma do komputera kwantowego.
      Jedni koledzy zaczęli mnie informować, że wyłączyłam dźwięk, podczas gdy inni mnie słyszeli. Zauważyłam, że coś jest nie tak, gdy na ekranie zaczęły pojawiać mi się liczne wersje Zooma, stwierdza uczona. Jej zdaniem Sycamore zastosował znaną z mechaniki kwantowej teorię wielu światów.
      Jedynym sposobem na powrót sesji Zooma do świata klasycznego było wykonywanie pomiarów, czyli w tym przypadku zwracanie uwagi na to, co mówią inni, wspomina Brassard. Na szczęście uczona wiedziała, jak to zrobić. Niedawno bowiem prowadziła doktoranta, który w ramach swoich zainteresowań implementował Instagrama na komputer kwantowy D-Wave 2000Q. Naszym zadaniem było określenie optymalnej pory dnia, w której influencerzy powinni wstawiać na Instagrama poty związane z domowymi zwierzętami. Odkryliśmy, że jest to problem NP. Brassard wiedziała więc, jak przełączyć aplikację ze stanu kwantowego w klasyczny.
      Cała sytuacja została opisana na łamach Quantum Advances in Computing and Correlation. Autorzy badań rozpoczęli prace nad stworzeniem mechanizmu, który pozwoliłby użytkownikom Zooma na jednoczesne istnienie w wielu wirtualnych pokojach.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Ostatnie działania gigantów IT, takich jak Google, oraz koncernów farmaceutycznych sugerują, że pierwszym naprawdę przydatnym zastosowaniem komputerów kwantowych mogą stać się obliczenia związane z pracami nad nowymi lekami. Komputery kwantowe będą – przynajmniej teoretycznie – dysponowały mocą nieosiągalną dla komputerów klasycznych. Wynika to wprost z zasady ich działania.
      Najmniejszą jednostką informacji jest bit. Reprezentowany jest on przez „0” lub „1”. Jeśli wyobrazimy sobie zestaw trzech bitów, z których w każdym możemy zapisać wartość „0” lub „1” to możemy w ten sposób stworzyć 8 różnych kombinacji zer i jedynek (23). Jednak w komputerze klasycznym w danym momencie możemy zapisać tylko jedną z tych kombinacji i tylko na jednej wykonamy obliczenia.
      Jednak w komputerze kwantowym mamy nie bity, a bity kwantowe, kubity. A z praw mechaniki kwantowej wiemy, że kubit nie ma jednej ustalonej wartości. Może więc przyjmować jednocześnie obie wartości: „0” i „1”. To tzw. superpozycja. A to oznacza, że w trzech kubitach możemy w danym momencie zapisać wszystkie możliwe kombinacje zer i jedynek i wykonać na nich obliczenia. Z tego zaś wynika, że trzybitowy komputer kwantowy jest – przynajmniej w teorii – ośmiokrotnie szybszy niż trzybitowy komputer klasyczny. Jako, że obecnie w komputerach wykorzystujemy procesory 64-bitowe, łatwo obliczyć, że 64-bitowy komputer kwantowy byłby... 18 trylionów (264) razy szybszy od komputera klasycznego.
      Pozostaje tylko pytanie, po co komu tak olbrzymie moce obliczeniowe? Okazuje się, że bardzo przydałyby się one firmom farmaceutycznym. I firmy te najwyraźniej dobrze o tym wiedzą. Świadczą o tym ich ostatnie działania.
      W styczniu największa prywatna firma farmaceutyczna Boehringer Ingelheim ogłosiła, że rozpoczęła współpracę z Google'em nad wykorzystaniem komputerów kwantowych w pracach badawczo-rozwojowych. W tym samym miesiącu firma Roche, największy koncern farmaceutyczny na świecie, poinformował, że od pewnego czasu współpracuje już z Cambridge Quantum Computing nad opracowaniem kwantowych algorytmów służących wstępnym badaniom nad lekami.
      Obecnie do tego typu badań wykorzystuje się konwencjonalne wysoko wydajne systemy komputerowe (HPC), takie jak superkomputery. Górną granicą możliwości współczesnych HPC  są precyzyjne obliczenia dotyczące molekuł o złożoności podobne do złożoności molekuły kofeiny, mówi Chad Edwards, dyrektor w Cambridge Quantum Computing. Molekuła kofeiny składa się z 24 atomów. W farmacji mamy do czynienia ze znacznie większymi molekułami, proteinami składającymi się z tysięcy atomów. Jeśli chcemy zrozumieć, jak funkcjonują systemy działające według zasad mechaniki kwantowej, a tak właśnie działa chemia, to potrzebujemy maszyn, które w pracy wykorzystują mechanikę kwantową, dodaje Edwards.
      Cambridge Quantum Computing nie zajmuje się tworzeniem komputerów kwantowych. Pracuje nad kwantowymi algorytmami. Jesteśmy łącznikiem pomiędzy takimi korporacjami jak Roche, które chcą wykorzystywać komputery kwantowe, ale nie wiedzą, jak dopasować je do swoich potrzeb, oraz firmami jak IBM, Honeywell, Microsoft czy Google, które nie do końca wiedzą, jak zaimplementować komputery kwantowe do potrzeb różnych firm. Współpracujemy z 5 z 10 największych firm farmaceutycznych, wyjaśnia Edwards.
      Bardzo ważnym obszarem prac Cambridge Quantum Computing jest chemia kwantowa. Specjaliści pomagają rozwiązać takie problemy jak znalezieniem molekuł, które najmocniej będą wiązały się z danymi białkami, określenie struktury krystalicznej różnych molekuł, obliczanie stanów, jakie mogą przyjmować różne molekuły w zależności od energii, jaką mają do dyspozycji, sposobu ewolucji molekuł, ich reakcji na światło czy też metod metabolizowania różnych związków przez organizmy żywe.
      Na razie dysponujemy jednak bardzo prymitywnymi komputerami kwantowymi. Są one w stanie przeprowadzać obliczenia dla molekuł składających się z 5–10 atomów, tymczasem minimum, czego potrzebują firmy farmaceutyczne to praca z molekułami, w skład których wchodzi 30–40 atomów. Dlatego też obecnie przeprowadzane są obliczenia dla fragmentów molekuł, a następnie stosuje się specjalne metody obliczeniowe, by stwierdzić, jak te fragmenty będą zachowywały się razem.
      Edwards mówi, że w przyszłości komputery kwantowe będą szybsze od konwencjonalnych, jednak tym, co jest najważniejsze, jest dokładność. Maszyny kwantowe będą dokonywały znacznie bardziej dokładnych obliczeń.
      O tym, jak wielkie nadzieje pokładane są w komputerach kwantowych może świadczyć fakt, że główne koncerny farmaceutyczne powołały do życia konsorcjum o nazwie QuPharm, którego zadaniem jest przyspieszenie rozwoju informatyki kwantowej na potrzeby produkcji leków. QuPharm współpracuje z Quantum Economic Development Consortium (QED-C), powołanym po to, by pomóc w rozwoju komercyjnych aplikacji z dziedziny informatyki kwantowej na potrzeby nauk ścisłych i inżynierii. Współpracuje też z Pistoia Alliance, którego celem jest przyspieszenie innowacyjności w naukach biologicznych.
      Widzimy zainteresowanie długoterminowymi badaniami nad informatyką kwantową. Firmy te przeznaczają znaczące środki rozwój obliczeń kwantowych, zwykle zapewniają finansowanie w dwu-, trzyletniej perspektywie. To znacznie bardziej zaawansowane działania niż dotychczasowe planowanie i studia koncepcyjne. Wtedy sprawdzali, czy informatyka kwantowa może się do czegoś przydać, teraz rozpoczęli długofalowe inwestycje. To jest właśnie to, czego ta technologia potrzebuje, dodaje Edwards.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Badacze z Cavendish Laboratory na Uniwersytecie Cambridge opracowali metodę wykrywania pojedynczego kubitu (bitu kwantowego) w gęstej chmurze 100 000 kubitów utworzonych ze spinów kwantowych kropek. Uczeni najpierw wprowadzili informację kwantową w chmurę, a następnie wykorzystali pojedynczy elektron do kontroli zachowania chmury, co ułatwiło odnalezienie wprowadzonego wcześniej kubitu.
      Już teraz prymitywne komputery kwantowe jakimi dysponujemy są w stanie – w niektórych wysoce specjalistycznych zastosowaniach – przewyższyć wydajnością konwencjonalne superkomputery. Jednak kwantowe urządzenia pokażą swoją pełną moc, gdy zostaną połączone za pomocą kwantowego internetu. Problem jednak w tym, że stany kwantowe są niezwykle delikatne. Wszelka ingerencja, jak np. próba ich przesłania, może je zniszczyć. Jednym z pomysłów na poradzenie temu problemowi jest ukrycie kubitu z interesującą nas informacją wewnątrz chmury złożonej z innych kubitów. Stąd też badania, które przeprowadzono na Cambridge.
      Opracowana przez nich technika pozwala na przesłanie kwantowej informacji do układu, w którym ma być przechowywana oraz zweryfikowanie jej stabilności. Badania prowadzono w kropkach kwantowych, gdyż to światło jest najbardziej obiecującym kandydatem do przesyłania informacji w kwantowym internecie, a kropki kwantowe są obecnie najlepszym kwantowym źródłem światła. Kropki te to miniaturowe kryształy, sztuczne atomy.
      Gdy jednak będziemy przesyłać kwantową informację za pomocą sieci, musimy mieć możliwość jej tymczasowego przechowywania w różnych punktach sieci. Rozwiązaniem jest przechowanie delikatnego stanu kwantowego w chmurze 100 000 jąder atomowych, które zawiera każda z kropek kwantowych. To jak ukrycie igły w stogu siana. Problem w tym, że gdy próbujemy komunikować się z tymi jądrami, mają one tendencje do przypadkowej zmiany spinów, co generuje olbrzymie zakłócenia, szum, wyjaśnia główny autor badań, profesor Mete Atature.
      Chmura kubitów w kropce kwantowej zwykle nie działa jak jeden organizm, przez co trudno jest odczytać zawarte w niej informacje. Jednak w 2019 roku Atature i jego zespół wykazali, że schłodzenie do bardzo niskich temperatur i wykorzystanie światła powoduje, że chmura taka zaczyna wykonywać „skoordynowany kwantowy taniec”, co znakomicie redukuje szum.
      Teraz ta sama grupa wykazała, że możliwa jest kontrola takiego kolektywnego stanu 100 000 atomów, dzięki czemu byli w stanie wykryć informację zapisaną w „odwróconym kwantowym bicie” ukrytym w chmurze. Czułość wykorzystanej metody wynosi 1,9 części na milion, czyli jest wystarczająca, by zauważyć pojedynczy odwrócony bit w chmurze składającej się ze 100 000 elementów.
      Z technicznego punktu widzenia jest to bardzo wymagające. Nie mamy możliwości skomunikowania się z chmurą, a ona nie ma możliwości skontaktowania się z nami. Możemy jednak użyć elektronu jako pośrednika. Działa on jak pies pasterski, wyjaśnia Atature.
      Ze wspomnianym elektronem można komunikować się za pomocą lasera. Z kolei elektron komunikuje się ze spinami atomów. W wyniku tego procesu, chaotycznie dotychczas zachowujące się spiny zaczynają organizować się wokół elektronu. W ten sposób powstają skoordynowane fale spinowe.
      Jeśli wyobrazimy sobie naszą chmurę spinów jako stado 100 000 poruszających się chaotycznie owiec, to trudno jest zauważyć 1 owcę, która nagle zmieniła kierunek. Jeśli jednak całe stado porusza się jak skoordynowana fala, to taka owca zmieniająca kierunek staje się dobrze widoczna, mówi uczony.
      Kolejnym krokiem naszych badań będzie pokazanie, że tę technikę można wykorzystać do przechowania i odczytania dowolnego kwantowego bitu z całego rejestru spinów, zapowiada doktorant Daniel Jackson z Cavendish Laboratory. W ten sposób zakończymy tworzenie układu pamięci połączonego ze źródłem światła, ważnego elementu kwantowego internetu, dodaje Dorian Gangloff.
      Tę samą technikę można wykorzystać w budowie komputerów kwantowych. Więcej na jej temat przeczytamy w artykule Quantum sensing of a coherent single spin excitation in a nuclear ensemble.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...