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

Dzięki dziurom powstaną stabilne kubity, a może nawet minikomputery kwantowe

Recommended Posts

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

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
      IBM zaprezentował 127-kubitowy procesor kwantowy Eagle. Dzięki niemu, jak zapewnia koncern, klienci firmy będą mogli wykorzystać niedostępne dotychczas zasoby obliczeniowe, co ma się stać krokiem milowym w kierunku wykorzystania obliczeń kwantowych w codziennej praktyce. Eagle ma bowiem wkrótce zostać udostępniony wybranym partnerom IBM-a.
      Postrzegamy Eagle'a jako krok na drodze technologicznej rewolucji w historii maszyn obliczeniowych. W miarę, jak procesory kwantowe są rozbudowywane, każdy dodatkowy kubit dwukrotnie zwiększa ilość pamięci, jaką potrzebują komputery klasyczne, by symulować taki procesor. Spodziewamy się, że komputery kwantowe przyniosą realne korzyści, gdyż rosnąca złożoność procesów obliczeniowych, jakie są w stanie wykonać, przekroczy możliwości komputerów klasycznych, czytamy w informacji prasowej IBM-a.
      Inżynierowie Błękitnego Giganta nie mieli łatwego zadania. Prace praktyczne i teoretyczne nad maszynami kwantowymi, opartymi na zasadach mechaniki kwantowej, są prowadzone od dziesięcioleci i od dawna wiemy, że komputery takie są w stanie przeprowadzać obliczenia niedostępne maszynom klasycznym. Jednak ich zbudowanie jest niezwykle trudne. Nawet najmniejszy wpływ czynników zewnętrznych może spowodować dekoherencję kubitów, czyli doprowadzić do stanu, w którym zawarta w nich informacja zostanie utracona.
      Eagle zawiera niemal 2-krotnie więcej kubitów niż jego poprzednik, 65-kubitowy Hummingbird. Jednak jego powstanie wymagało czegoś więcej, niż tylko dodania kubitów. Inżynierowe IBM-a musieli opracować nowe i udoskonalić istniejące techniki, które – jak zapewniają – staną się podstawą do stworzenia ponad 1000-kubitowego układu Condor.
      Kolejnym niezwykle ważnym elementem nowego procesora jest wykorzystanie techniki multiplekosowania odczytu, znaną już z procesora Hummingbird R2. We wcześniejszych układach kwantowych każdy kubit wymagał zastosowania osobnego zestawu elektroniki zajmującej się odczytem i przesyłaniem danych. Taka architektura może sprawdzić się przy kilkudziesięciu kubitach, jednak jest zbyt nieporęczna i niepraktyczna przy ponad 100 kubitach, nie wspominając już o 1121-kubitowym Condorze, który ma powstać za 2 lata. Multipleksowanie odczytu polega na łączeniu sygnałów odczytowych z wielu kubitów w jeden, dzięki czemu można znakomicie zmniejszyć ilość okablowania i komponentów elektronicznych, co z kolei pozwala na lepsze skalowanie całości.
      Najbardziej interesującymi informacjami, których jeszcze nie znamy, są wyniki testów Quantum Volume (QV) i Circuit Layer Operations Per Second (CLOPS). Quantum Volume to stworzony przez IBM-a system pomiaru wydajności kwantowego komputera jako całości. Bierze pod uwagę nie tylko same kubity, ale również interakcje pomiędzy nimi, działania poszczególnych elementów komputera, w tym błędy obliczeniowe, błędy pomiarowe czy wydajność kompilatora. Im większa wartość QV, tym bardziej złożone problemy może rozwiązać komputer kwantowy. Z kolei zaproponowany niedawno przez IBM-a CLOPS to benchmark określający, na ilu obwodach kwantowych procesor jest w stanie wykonać operacje w ciągu sekundy. Maszyna Eagle nie została jeszcze poddana testom wydajnościowym i jakościowym.
      W ubiegłym roku Honeywell ogłosił, że jego System Model H1, korzystający z zaledwie 10 kubitów, osiągnął w teście QV wartość 128. Nieco wcześniej zaś 27-kubitowy system IBM-a mógł się pochwalić QV 64. Widzimy zatem, że sama liczba kubitów nie mówi jeszcze niczego o wydajności samej maszyny.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Wiele współczesnych komputerów kwantowych zapisuje informacje w nietrwałych stanach kwantowych, które bardzo trudno jest utrzymać i skalować. Rozwiązaniem problemu może być trwały nanomechaniczny kubit.
      Kwantowe bity zbudowane z wibrujących węglowych nanorurek i par kropek kwantowych mogą być bardzo odporne na zakłócenia zewnętrzne. Tak przynajmniej wynika z obliczeń wykonanych przez Fabio Pistolesiego z francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych i jego kolegów z Hiszpanii i USA. Obliczenia wskazują bowiem, że czas dekoherencji takiego nanomechanicznego kubitu były bardzo długi, co czyni tę architekturę obiecującym elementem komputerów kwantowych.
      Komputery kwantowe mogą, przynajmniej teoretycznie, dokonywać wielu obliczeń znacznie szybciej niż maszyny klasyczne. Wynika to z samych zasad fizyki kwantowej. Najmniejszą jednostką informacji, jaką posługują się komputery, jest bit, reprezentowany przez cyfrę „0” lub „1”. W 4 bitach możemy zapisać 16 (24) kombinacji zer i jedynek. W komputerze klasycznym w danym momencie możemy zapisać jedną z tych kombinacji – gdyż każdy z bitów może przyjąć pozycję albo „0” albo „1” – i wykonać na niej działania.
      Jednak komputery kwantowe nie korzystają z bitów, a z kubitów (bitów kwantowych). Kubitem może być np. elektron. A z praw mechaniki kwantowej wiemy, że nie ma on jednej ustalonej wartości „0” lub „1”, ale przyjmuje obie jednocześnie. To tzw. superpozycja. Zatem w komputerze kwantowym w danym momencie zapiszemy wszystkie 16 kombinacji i wykonamy na nich działania. Innymi słowy, 4-bitowy komputer kwantowy powinien być – przynajmniej w teorii – aż 16-krotnie szybszy od swojego klasycznego odpowiednika. Obecnie zaś korzystamy z procesorów 64-bitowych, więc liczba możliwych kombinacji zer i jedynek wynosi w ich przypadku 264.
      Problem jednak w tym, że stany kwantowe są bardzo nietrwałe i w wyniku interakcji z czynnikami zewnętrznymi kubit może ulec dekoherencji, czyli utracić swój stan kwantowy (superpozycję) i stać się „standardową” jedynką albo zerem. Widzimy więc, jak istotny jest czas dekoherencji. Im jest on dłuższy, tym więcej czasu zostaje na przeprowadzenie obliczeń.
      Obiecującymi kandydatami na kubity są obwody nadprzewodzące, jony uwięzione w pułapkach magnetycznych czy kropki kwantowe. Teraz międzynarodowa grupa uczonych przekonuje, że możliwe jest też zbudowanie stabilnego nanomechanicznego kubitu.
      Kubit taki miały się składać z wiszącej węglowej nanorurki działającej jak rezonator, której wibracje zależą od stanów elektronicznych dwóch kropek kwantowych znajdujących się w samej nanorurce. Sprzężenie pomiędzy kropkami a nanorurką powoduje, że rezonator staje się silnie anharmoniczny. To oznacza, że okres drgań jest zależny od jego amplitudy. W takim rezonatorze bardzo łatwo wykryć nawet najmniejsze zmiany amplitudy. Pistolesi uważa, że właśnie amplitudę można wykorzystać do przechowywania kwantowej informacji.
      Innymi słowy, najmniejsza możliwa amplituda drgań (kwantowy stan podstawowy) odpowiada „0”, a kolejna najmniejsza amplituda (pierwszy stan wzbudzenia) odpowiada „1”. Stany te można z łatwością odczytać za pomocą mikrofal. Fakt, że częstotliwość pracy oscylatora zmienia się, gdy zmienia się jego amplituda, pozwala nam na odczytywanie kubitu i manipulowanie nim, wyjaśnia swoją koncepcję Pistolesi. Uczony przekonuje, że taki kubit byłby bardzo trwały. Zanim pojawi się dekoherencja, dojdzie w nim do milionów oscylacji.
      Wyniki badań, chociaż obiecujące, nie rozwiązują wszystkich problemów. Naukowcy wciąż nie wiedzą, w jaki sposób wprowadzić do takiego systemu na tyle silną anharmoniczność, by całość poddawała się kontroli.
      Być może zaproponowana przez Pistolesiego architektura nigdy nie trafi do komputerów kwantowych. Jednak może się ona przydać do budowy niezwykle czułych detektorów kwantowych, gdyż oscylatory takie byłyby podatne na działanie klasycznych sił. Można by je więc wykorzystać do wykrywania niewielkich zmian przyspieszenia, pola elektrycznego czy magnetycznego.
      Teraz badacze chcą zbudować zaproponowany przez siebie kubit i przetestować jego działanie.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Po raz pierwszy udało się dwukrotnie wykryć poruszający się pojedynczy foton, nie niszcząc go przy tym. To ważna osiągnięcie, gdyż dotychczas foton ulegał zwykle zniszczeniu podczas jego rejestrowania. Najnowsze osiągnięcie może przyczynić się do powstania szybszych i bardziej odpornych na zakłócenia sieci optycznych i komputerów kwantowych.
      Zwykle wykrycie fotonu wiąże się z jego zaabsorbowaniem. Jednak foton może nieść ze sobą cenne informacje, a w takich przypadkach specjaliści woleliby mieć możliwość odczytania tych danych i przepuszczenia fotonu dalej, do miejsca docelowego. Żadna metoda detekcji nie jest w 100% skuteczna, zawsze istnieje ryzyko, że coś się prześliźnie niewykryte, mówi jeden z autorów badań, Stephan Welte, fizyk kwantowy z Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka w niemieckim Garching. Dlatego też możliwość niedestrukcyjnego wykrywania fotonów jest tak ważna – ustawienie detektorów jeden za drugim zwiększa szanse, że wykryjemy wszystkie interesujące nas fotony.
      Dotychczas opracowano różne sposoby wykrywania fotonu bez jego niszczenia. Często polegają one na interakcji fotonu z jonem, nadprzewodzącym kubitem lub innymi systemami kwantowymi. Jednak w ten sposób możemy albo wykonać pojedynczą niedestrukcyjną rejestrację poruszającego się fotonu, albo liczne niedestrukcyjne odczyty stacjonarnego fotonu uwięzionego we wnęce.
      Teraz naukowcy z Niemiec dwukrotnie wykryli pojedynczy foton wędrujący światłowodem. Wykorzystali w tym celu skonstruowany przez siebie niedestrukcyjny detektor zbudowany z pojedynczego atomu rubidu uwięzionego w odbijającej wnęce. Foton, wpadając do wnęki, odbija się od jej ścian, zmieniając stan kwantowy atomu, co można wykryć za pomocą lasera. Uczeni umieścili dwa takie detektory w odległości 60 metrów od siebie. Wykryły one ten sam foton, nie absorbując go. Welte mówi, że teoretycznie można w ten sposób wykryć pojedynczy foton nieskończoną liczbę razy, jednak w praktyce istnienie 33-procentowe ryzyko, że użycie detektora spowoduje utratę fotonu.
      Nowa technologia może w przyszłości pozwolić na śledzenie trasy fotonów. Pozwoli to na przyspieszenie pracy systemów kwantowych, gdyż będziemy w stanie upewniać się, że zakodowane w fotonach informacje dotrą tam, gdzie powinny.
      Powiedzmy, że chcesz wysłać kwantową informację z Monachium do Nowego Jorku. Możesz w międzyczasie wielokrotnie sprawdzać, czy foton nie został po drodze utracony, np. sprawdzając, czy dotarł do Paryża. Jeśli okaże się, że foton zgubił się po drodze, można będzie natychmiast wysłać go ponownie. Nie trzeba będzie czekać na zakończenie całej transmisji, by upewnić się, że wszystko poszło tak, jak powinno, wyjaśnia główny autor badań, Emanuele Distante.
      Twórcy nowych detektorów uważają, że nie można ich będzie wykorzystać do podsłuchania kwantowej komunikacji. To jak śledzenie przesyłek. Możesz dowiedzieć się, gdzie jest paczka, ale nic nie wiesz o jej zawartości. Foton zawiera w sobie pewną kwantową informację. Możesz w sposób niedestrukcyjny go wykryć, ale nie odczytać, stwierdza Welte.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Holenderscy uczeni zaprezentowali elektroniczny kontroler kubitów, pracujący w temperaturach kriogenicznych. Urządzenie może pomóc w poradzeniu sobie z problemem wąskiego gardła połączeń w komputerach kwantowych korzystających z wielu kubitów.
      Do budowy komputerów kwantowych wykorzystuje się obecnie wiele różnych technologii. Wiele z nich zmaga się z poważnym problemem. Otóż elementy, w których przeprowadzane są obliczenia kwantowe pracują w bardzo niskich temperaturach, tymczasem kable i inne podzespoły łączące te elementy ze światem zewnętrznym mają temperaturę znacznie wyższą. Tak duża różnica temperatur może niekorzystnie wpływać na pracę komputerów kwantowych i możliwości ich projektowania.
      Naukowcy z Uniwersytetu Technologicznego w Delft we współpracy z ekspertami Intela zaprezentowali właśnie urządzenie elektroniczne, które pracuje w temperaturach kriogenicznych i może kontrolować kwantowy układ scalony. Kriokontroler Horse Ridge pracuje z kwantowymi układami scalonymi opartymi na krzemie równie dobrze, jak standardowe kontrolery z układami scalonymi działającymi w temperaturze pokojowej.
      Obecnie w procesorach kwantowych dla każdego kubita tworzy się osobne okablowanie, które łączą go z zewnętrznymi urządzeniami pracującymi w temperaturze pokojowej, wyjaśnia fizyk Lieven Vandersypen z TU Delft. Jednak w przyszłości, gdy kwantowe procesory będą korzystały z tysięcy lub milionów kubitów, zapewnienie każdemu kubitowi osobnego okablowanie nie będzie możliwe, dodaje uczony. Dlatego też wraz z zespołem pracuje nad rozwiązaniem, które poradzi sobie zarówno z problemem różnicy temperatur jak i okablowania.
      Problem integracji kubitów i elektroniki to problem termiczny, zgadza się Sorin Voinigescu, inżynier z University of Toronto, który nie był zaangażowany w opisywane badania.
      Kontrolery mikrofalowe, takie jak Horse Ridge, mają poważne problemy z pracą w niskich temperaturach. A w przyszłości, gdy będziemy dysponowali kwantowymi procesorami zawierającymi miliony kubitów, konieczne będzie upakowanie w nich dziesiątków tysięcy takich kontrolerów, zdolnych do pracy w bardzo niskich temperaturach. Nowe badania to kolejny krok w tym kierunku.
      Podczas prowadzonych eksperymentów Horse Ridge kontrolował parę kubitów zamkniętych w krzemowym systemie zwanym podwójną kropką kwantową. Kontroler wysyłał zaprogramowane wcześniej krótkie impulsy mikrofalowe, które pozwalały na manipulowanie spinem kubitów, czyli przeprowadzanie obliczeń. Zwykle tego typu kontrolery pracują w temperaturze pokojowej i są połączone z procesorem kwantowym za pomocą kabla koncentrycznego. Horse Ridge pracuje w temperaturach kriogenicznych, a jego wydajność jest taka sama, jak tradycyjnych kontrolerów.
      Horse Ridge powstał w dobrze znanej technologii CMOS. Połączenie 60 lat doświadczeń z CMOS z kubitami to zwycięskie rozwiązanie, mówi Edoardo Charbon z Delft.
      Holenderski zespół zapewnia, że technologię CMOS nie tylko można łatwo miniaturyzować i integrować z kwantowymi układami scalonymi, ale Horse Ridge może być programowany tak, by w różny sposób manipulował kubitami. Pozwala też na uruchamianie większej liczby algorytmów kwantowych, niż wcześniejsze kriokontrolery.
      Kontroler pracuje w niskich temperaturach, jednak jest on cieplejszy niż procesor kwantowy, więc różnica między nim a wychodzącym na zewnątrz okablowaniem jest mniejsza. Holenderski zespół będzie pracował nad dalszym zwiększeniem temperatury kubitów, by móc zmniejszać te różnice.
      Szczegóły opisano na łamach Nature.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...