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

Powstały kwantowe wzmacniacze sygnału – ważny krok ku kwantowemu internetowi

Recommended Posts

Dwa niezależne zespoły badawcze stworzyły kwantowe wzmacniacze zdolne do przechowywania multipleksowanych sygnałów, przekazywania splątanych cząstek i pracy na częstotliwościach używanych w telekomunikacji. To bardzo ważny krok w rozwoju skalowalnego kwantowego internetu.

Kwantowa sieć komputerowa nie tylko byłaby siecią znacznie bardziej bezpieczną, ale również pozwalałaby np. na dystrybucję zadań obliczeniowych pomiędzy komputerami kwantowymi, co z kolei umożliwiłoby na rozwiązywanie niezwykle złożonych problemów.

Zasadniczym elementem kwantowego internetu będą kwantowo splatane połączenia pomiędzy węzłami takiej sieci. Problem jednak w tym, że tworzenie stanu splątanego przy dużym transferze danych na duże odległości jest bardzo trudne. Wynika to z faktu, że kwantowa informacja ulega degradacji podczas przesyłania, a zasady mechaniki kwantowej nie pozwalają na użycie standardowych wzmacniaczy. Potrzebne są więc wzmacniacze kwantowe, wzmacniające informację i podlegające zasadom fizyki kwantowej.

Dwie niezależne grupy badawcze, jedna z hiszpańskiego Instytutu Nauk Fotonicznych (ICFO – Institut de Ciències Fotòniques), druga zaś z Uniwersytetu Nauki i Technologii Chin (USTC), pokazały, jak kwantowe układy pamięci mogą posłużyć do budowy praktycznych kwantowych wzmacniaczy.

Oba zespoły użyły źródeł par fotonów, gdzie jeden z fotonów jest składowany w kwantowej pamięci, a drugi jest wysyłany jako sygnał rozgłaszający i potwierdzający splątanie. Multipleksing, rozumiany tutaj jako możliwość jednoczesnego składowania wielu sygnałów w postaci fotonów o różnych długościach fali jest realizowany za pomocą protokołu kwantowego optycznego grzebienia częstości. Dzięki temu taki system nie musi czekać na udane zakończenie rozgłaszania przed wygenerowaniem kolejnej pary fotonów. Co bardzo ważne, całość pracuje na częstotliwościach używanych obecnie w systemach telekomunikacyjnych, jest więc kompatybilna z już istniejącymi sieciami.

Hiszpanie stworzyli system, który wykorzystuje pamięć kwantową przechowującą fotony w milionach atomów przypadkowo rozrzuconych w krysztale wzbogaconym metalem ziem rzadkich. Użyli przy tym różnych długości fali, 606 nm dla przechowywania i 1436 nm (częstotliwość telekomunikacyjna) dla rozgłaszania splątania. Ich system może przechowywać sygnały przez 25 mikrosekund zanim je uwolni. Splątanie uzyskiwane jest pomiędzy dwoma układami przechowującymi foton w superpozycji. Układy znajdują się w odległości 10 metrów od siebie.

Z kolei Chińczycy wykorzystali kwantowe układy pamięci bazujące na kryształach wzbogaconych jonami metali ziem rzadkich. Zbudowali dwa węzły i stację pośrednią pomiędzy nimi. W każdym z węzłów przechowywany jest jeden z pary splątanych fotonów. Jeden z fotonów z pary uwalniany jest po 56 nanosekundach w celu analizy, a drugi przechodzi do stacji pośredniej. Dokonywany jest wspólny dla nich pomiar stanu Bella. Węzły dzieli odległość 3,5 metra.

Musimy jeszcze pokonać sporo przeszkód technologicznych, mówi lider hiszpańskiej grup badawczej, Hugues de Riedmatten. Chcemy uzyskać lepszą stabilizację częstotliwości czy lepszą kontrolę nad liczoną w setkach nanometrów długością łączy optycznych. Pracujemy nad poprawieniem wydajności źródła,z wydłużeniem czasu przechowywania informacji w kwantowej pamięci i systemami odczytu danych. Zmierzamy w kierunku budowy wielowęzłowej sieci i zwiększenia odległości pomiędzy kwantowymi wzmacniaczami.

Z kolei Zhou Zongquan z USTC powiedział: przeprowadziliśmy kompletną demonstrację podstawowego połączenia w kwantowym wzmacniaczu. Chińczycy zapowiadają ulepszenia źródła światła w celu zwiększenia tempa uzyskiwania splątania. Dodają, że zanim ich system znajdzie praktyczne zastosowanie, konieczne będzie znaczące poprawienie parametrów kwantowej pamięci.
Ronald Hanson z Uniwersytetu Technologicznego w Delft chwali prace obu zespołów. Mówi, że to ważny krok w kierunku budowy praktycznych wzmacniaczy kwantowych, a niezwykle ważny jest fakt, że urządzenia pracują z częstotliwościami współczesnych sieci telekomunikacyjnych.

Pod wrażeniem jest też Rodney Van Meter z japońskiego Keio Univeristy. Oba zespoły osiągnęły coś znaczącego: stworzyły dwie pary splątanych fotonów, przechowały po dwa fotony w różnych układach pamięci oddalonych od siebie na pewną odległość, a dwa kolejne wysłały w tym czasie, by przeprowadzić pomiar.

Osiągnięcia USTC i ICFO zostały opisane na łamach Nature.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Chyba nie wytrzymam czytać kolejnych 100 artykułów o "dokonaniu ważnego kroku na drodze ku komputerom kwantowym". Il jeszcze tych kraków - czy kiedykolwiek to się skończy i zacznie praktyczne wykorzystywanie poruszające do przodu naszą wiedzę?

Share this post


Link to post
Share on other sites
13 godzin temu, Ergo Sum napisał:

Chyba nie wytrzymam czytać kolejnych 100 artykułów o "dokonaniu ważnego kroku na drodze ku komputerom kwantowym". Il jeszcze tych kraków - czy kiedykolwiek to się skończy i zacznie praktyczne wykorzystywanie poruszające do przodu naszą wiedzę?

Brak ci cierpliwości. Naukowcy rzeczy "magiczne" stosują w praktyce niemal od razu, a na rzeczy "niemożliwe" trzeba trochę poczekać.

Przesyłanie informacji od sygnałów dymnych do wynalezienia telegrafu wymagało tysięcy lat. Od wynalezienia telegrafu do telefonu komórkowego minęło już tylko 119 lat, a od telefonu komórkowego do smartfona już jedynie 36 lat. Po kolejnych 15 latach można już było prowadzić smartfonami wideo rozmowy. A czy dożyjesz procesora kwantowego w swoim smartfonie, to tego nie wiem.

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
      Po raz pierwszy w historii udało się przesłać splątane stany kwantowe przewodem łączącym dwa węzły. Specjaliści z Pritzker School of Molecular Engineering na University of Chicago jednocześnie wzmocnili stan kwantowy na tym samym przewodzie, najpierw wykorzystując przewód do splątania po jednym kubicie w każdym z węzłów, a następnie splątując te kubity z kolejnymi kubitami w węzłach.
      Opracowanie metod transferu stanów splątanych jest kluczowym elementem potrzebnym do skalowania kwantowych systemów komputerowych, mówi główny autor badań, profesor Andrew Cleland.
      Aby wysłać stan kwantowy naukowcy stworzyli w każdym z węzłów po trzy nadprzewodzące kubity. Następnie po jednym kubicie z każdego węzła połączyli z przewodem i wysłali stan kwantowy, w formie mikrofalowych fotonów. Dzięki temu, że cały proces trwał zaledwie kilkadziesiąt nanosekund, doszło jedynie do minimalnej utraty informacji.
      Taki system pozwolił im też na „wzmocnienie” splątania kubitów. Najpierw splątali ze sobą po jednym kubicie z obu węzłów, później rozszerzyli splątanie na kolejne kubity. Gdy skończyli, splątane były wszystkie kubity w obu węzłach, które utworzyły pojedynczy globalny stan splątany.
      W przyszłości komputery kwantowe mogą być zbudowane z modułów, w których obliczenia będą dokonywane przez grupy splątanych kubitów. Takie komputery mogą być stworzone z wielu połączonych węzłów. Podobnie zresztą jak dzisiaj buduje się superkomputery, które składa się z wielu węzłów obliczeniowych w jedną wydajną maszynę. Przesłanie stanu splątanego pomiędzy węzłami jest więc bardzo ważnym osiągnięciem na drodze do powstania takich modułowych komputerów kwantowych.
      Takie węzły muszą mieć możliwość przesyłania pomiędzy sobą złożonych stanów kwantowych, a nasza praca to ważny krok w tym kierunku, mówi Cleland i zaznacza, że z takiego podejścia mogą skorzystać też sieci kwantowe.
      Uczeni z Chicago mają nadzieję, że w przyszłości uda im się poszerzyć ich architekturę o kolejny węzeł i stworzą stan splątany z kubitów zgrupowanych w trzech modułach.
      Więcej na ten temat można przeczytać w Nature.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Chińczycy wykonali kolejny ważny krok w kierunku stworzenia kwantowego internetu – przesłali splątane fotony pomiędzy dwoma dronami znajdującymi się kilometr od siebie. Jak już wcześniej informowaliśmy, naukowcy z Państwa Środka potrafią przesłać kwantowy klucz szyfrujący na odległość liczoną w tysiącach kilometrów i wysyłają splątane fotony pomiędzy stacją naziemną a satelitą. W ich osiągnięciach swój udział ma Polak, profesor Artur Ekert. Tym razem pokazali, że można je przesłać na nieduże odległości pomiędzy niedrogimi urządzeniami i – po raz pierwszy – pomiędzy poruszającymi się urządzeniami.
      Autorami najnowszego osiągnięcia są Zhenda Xie i jego koledzy w Uniwersytetu w Nankinie.
      Na pokładzie jednego z dronów znajdował się laser, który stworzył parę splątanych fotonów rozdzielając pojedynczy foton za pomocą kryształu. Jeden z tych fotonów został wysłany do stacji naziemnej, a drugi do innego drona. Dzięki splątaniu można zmierzyć stan jednego fotonu badając foton z nim splątany. Pomiar odbywa się natychmiast i jest niezależny od odległości. To właśnie natychmiastowy pomiar spowodował, że Albert Einstein nazwał splątanie kwantowe „upiornym działaniem na odległość”.
      Na pokładzie obu dronów znajdowały się urządzenia, których zadaniem było dbanie, by nadajnik i odbiornik były przez cały czas ustawione w jednej linii. Stan każdego z fotonów mierzyła stacja naziemna, a uzyskane wyniki dowodzą, że fotony były splątane.
      Chińczycy nie powiedzieli jeszcze ostatniego słowa. Xie uważa, że za pomocą bardziej zaawansowanych dronów umieszczonych wyżej, z dala od zanieczyszczeń powietrza i przy dobrej pogodzie, można będzie przesyłać splątane fotony na odległość ponad 300 kilometrów. Z kolei tańsze mniejsze drony posłużą do nawiązywania łączności na krótszych dystansach. A nawet zapewnienia łączności pomiędzy pojazdami.
      Osiągnięcie Chińczyków to bardzo ważny krok w kierunku powstania kwantowego internetu, uważa Siddarth Joshi z Uniwersytetu w Bristolu. Dony mogą stać się ostatnim elementem takiego internetu, przekazując sygnał ze stacji nadawczej do naszych domów czy samochodów. Wyobraźmy sobie, że jedziemy samochodem i potrzebujemy bezpiecznego łącza komunikacyjnego. Mogą je zapewnić drony latające wokół pojazdu, mówi Joshi.
      Zdaniem Myunghika Kima z Imperial College London, umieszczenie tak złożonych elementów optycznych na poruszających się dronach i utrzymanie pomiędzy nimi łączności to dowód na wysoki stopień zaawansowania technicznego chińskich naukowców.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Chińscy naukowcy donieśli, że układ optyczny przeprowadził kwantowe obliczenia zwane gaussowskim próbkowaniem bozonu (Gaussian boson sampling – GBS) ok. 100 bilionów razy szybciej niż mogą to zrobić klasyczne superkomputery. Osiągnięciem takim pochwalili się na łamach Science Jian-Wei Pan i Chao-Yang Lu oraz ich koledzy z Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii w Hefei.
      Co prawda metoda GBS powstała po to, by wykazać, że komputery kwantowe mogą osiągnąć kwantową supremację – czyli wykonać obliczenia, jakich komputery klasyczne nie są w stanie wykonać w rozsądnym czasie – ale można ją przystosować do niektórych wyspecjalizowanych praktycznych obliczeń.
      Żeby zrozumieć, na czym polega próbkowanie bozonów, wyobraźmy sobie układ optyczny z wieloma wejściami i wyjściami. Do układu wpuszczamy pojedyncze fotony, które napotykają na różne komponenty optyczne, jak dzielniki wiązki czy lustra. Zadaniem metody próbkowania bozonów jest odgadnięcie, jak fotony pojawią się na wyjściu. Taki układ możemy więc postrzegać jako matrycę dokonującą transformacji konfiguracji fotonów wpuszczonych na wejściu w konfigurację wyjściową. Określenie konfiguracji wyjściowej jest bardzo trudne nawet dla niewielkiej matrycy z rozdzielaczy i lusterek.
      Układ optyczny, który wykorzystali Chińczycy, ma 100 punktów wejścia i 100 punktów wyjścia i składa się z losowo rozłożonych 300 rozdzielaczy wiązki i 75 lusterek. Wszystkie elementy były ze sobą nawzajem połączone, więc foton, który wszedł w dowolnym punkcie wejścia mógł pojawić się dowolnym punkcie wyjścia.
      Chińczycy poinformowali, że GBS wykonała odpowiednie obliczenia w ciągu około 200 sekund. Tymczasem najszybszy chiński superkomputer – Sunway TaihuLight – który jest 4. najpotężniejszym superkomputerem na świecie, potrzebowałby na wykonanie tych samych obliczeń... ok. 2,5 miliarda lat.
      Ten eksperyment to z pewnością kamień milowy w dziedzinie symulacji kwantowych opartych na liniowych układach optycznych, mówi Christine Silberhorn z niemieckiego Uniwersytetu w Paderborn. Silberhorn jest jednym z twórców zaproponowanej w 2017 roku metody GBS. Uczona dodała, że samo przygotowanie systemu o rozmiarach 100x100 musiało być bardzo trudne. Z jej opinią zgadza się Ian Walmsley z Imperial College London, który dodatkowo chwali chińskich naukowców za heroiczny wyczyn, jakim było przygotowanie stanów kwantowych, które są całkowicie nierozróżnialne i upewnienie się, że fotony nie zostały utracone.
      Chao-Yang Lu mówi, że wraz z kolegami na tyle ulepszyli GBS, że możliwe będzie przeprowadzenie eksperymentu na macierzy 144x144. W 2021 roku nasza maszyna GBS będzie łatwiejsza w dostrojeniu, mniejsza i bardziej stabilna. Zaczynamy zastanawiać się nad jej wdrożeniem do celów praktycznych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Splątanie kwantowe to fascynujące zjawisko leżące u podstaw tworzonych właśnie systemów do kwantowej komunikacji, kwantowych obliczeń czy kwantowych czujników środowiskowych. Stan splątany dwóch cząstek oznacza, że mierząc jedną z cząstek możemy poznać właściwości drugiej, mimo że są one od siebie znacznie oddalone i nie ma między nimi kontaktu.
      Naukowcy z Uniwersytetu w Kopenhadze splątali właśnie mechaniczny oscylator ze spinem grupy atomów. Ich osiągnięcie kładzie podwaliny pod osiągnięcie stanu splątanego odmiennych systemów, co z kolei może posłużyć m.in. do budowy komputerów kwantowych.
      Przed około dekadą zaproponowaliśmy teoretyczny sposób na splątanie mechanicznego oscylatora z oscylatorem spinowym za pomocą fotonów. Wykorzystaliśmy przy tym zasadę, która została później nazwana „wolnymi podprzestrzeniami mechaniki kwantowej” lub „trajektoriami bez kwantowych nieoznaczoności". W naszym najnowszym artykule donosimy o eksperymentalnym zaimplementowaniu naszej teorii, mówi profesor Eugene S. Polzik, który stał na czele grupy badawczej.
      W celu uzyskania splątania pomiędzy systemem mechanicznym a spinowym Polzik i jego zespół wykorzystali fakt, że w stanie wzbudzonym dochodzi do redukcji energii spinowego oscylatora, co można postrzegać jako posiadanie przezeń jako posiadanie „ujemnej masy”.
      Splątanie pomiędzy systemem mechanicznym a spinowym uzyskujemy poprzez wysłanie światła pomiędzy oboma systemami: mechanicznym oscylatorem o masie dodatniej i spinowym oscylatorem o efektywnej masie ujemnej. Wykonanie pomiaru tego światła wprowadza oba systemy w stan splątany. Kolejne powtarzalne pomiary potwierdzają splątanie pokazując, że kwantowe fluktuacje w obu systemach są silnie ze sobą skorelowane, mówi Polzik.
      Eksperyment może też wskazywać, iż możliwe jest poradzenie sobie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga. Jak mówi profesor Polzik, wykorzystanie „masy ujemnej” może bowiem pozwolić na osiągnięcie nieograniczonej dokładności pomiaru.
      Zespół Polzika przygotowuje teraz eksperyment, którego celem będzie wykazanie potencjalnej przydatności opisanych powyżej badań do udoskonalenia wykrywaczy fal grawitacyjnych LIGO i VIRGO.
      Szczegóły badań zostały opublikowane w artykule Entanglement between distant macroscopic mechanical and spin systems

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Gdy naukowcy z fińskiego Uniwersytetu Aalto po raz pierwszy zobaczyli wyniki badań nad wydajnością swoich detektorów z czarnego krzemu, sądzili, że to pomyłka. Trudno im bowiem było uwierzyć nie tylko w to, że stworzyli pierwsze urządzenie fotowoltaiczne, które przekroczyło limit 100% zewnętrznej wydajności kwantowej, ale i w to, że wydajność ta od razu sięgnęła 130%. Dotychczas uważano, że 100% stanowi nieprzekraczalne teoretyczne maksimum.
      Gdy to zobaczyliśmy nie mogliśmy uwierzyć. Od razu stwierdziliśmy, że musimy zweryfikować uzyskany wynik za pomocą niezależnych pomiarów, mówi profesor Hele Savin. Niezależne pomiary przeprowadził Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), niemiecki narodowy instytut metrologiczny, najbardziej wiarygodna w tym zakresie instytucja w UE. Obok amerykańskiego NIST i brytyjskiego NPL stanowi on ścisłą światową czołówkę w dziedzinie metrologii.
      Dyrektor Laboratorium Radiometrii PTB, doktor Lutz Werner stwierdził, że gdy tylko zobaczyłem wyniki pomiarów, zdałem sobie sprawę, że mamy tutaj do czynienia z olbrzymim przełomem.
      Zewnętrzna wydajność kwantowa urządzenia wynosząca 100% oznacza, że 1 foton wpadający do urządzenia, przyczynia się do powstania 1 elektronu w zewnętrznym obwodzie. Zatem wydajność 130% to nic innego, jak generowanie przez 1 foton około 1,3 elektronu.
      Analiza wykazała, że ta wyjątkowo wysoka zewnętrzna wydajność kwantowa bierze się z procesu multiplikacji zachodzącego wewnątrz nanostruktur krzemu. Proces ten uruchamiany jest obecnością wysoko energetycznego fotonu. Dotychczas zjawiska takiego nie zaobserwowano, gdyż w urządzeniach dochodziło do dużych strat zarówno fotonów jak i elektronów. Jesteśmy w stanie zebrać wszystkie zwielokrotnione nośniki ładunku, gdyż nasze urządzenie nie wywołuje strat powodowanych przez rekombinację i odbicia, mówi profesor Savin.
      Odkrycie to oznacza, że możliwe jest znakomite zwiększenie wydajności każdego urządzenia, którego praca polega na wykrywaniu obecności fotonu. Takie urządzenia obecne są dosłownie wszędzie, w przemyśle samochodowym, w telefonach komórkowych czy w urządzeniach medycznych.
      Opracowane przez Finów detektory w czarnego krzemu już spotkały się z olbrzymim zainteresowaniem ze strony przemysłu, szczególnie biotechnologicznego oraz specjalizującego się w monitorowaniu procesów produkcyjnych.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...