Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
KopalniaWiedzy.pl

Dwukrotnie wykryli poruszający się foton, nie niszcząc go przy tym. Przyspieszy to sieci kwantowe

Recommended Posts

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

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

  • Similar Content

    • 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
      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
    • 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
      Na szwedzkim Uniwersytecie Technicznym Chalmersa opracowano nowatorski termometr, który pozwoli na udoskonalenie... komputerów kwantowych. Termometr ten dokonuje szybkich i niezwykle dokładnych pomiarów temperatury podczas obliczeń kwantowych.
      Głównymi elementami komputera kwantowego są kable koncentryczne i falowody. Mikrofale są przesyłane falowodami do kwantowego procesora, a po drodze są schładzane do bardzo niskich temperatur. Zadaniem falowodów jest tez osłabianie i filtrowanie impulsów tak, by niezwykle wrażliwy kwantowy procesor mógł pracować ze stabilnymi stanami kwantowymi.
      Jednak, by mieć jak największą kontrolę nad całym procesem, specjaliści muszą mieć pewność, że falowody nie przenoszą zakłóceń powodowanych ruchem cieplnym elektronów. Innymi słowy, muszą mierzyć temperaturę pól elektromagnetycznych na końcu falowodu, w miejscu, w którym do kubitów dostarczane są kontrolujące je impulsy. Praca z najniższymi możliwymi temperaturami zmniejsza ryzyko wprowadzenia błędów do kubitów.
      Dotychczas możliwe były jedynie pośrednie pomiary tych temperatur i do tego dokonywane były ze znaczącym opóźnieniem. Tymczasem opracowany w Szwecji termometr pozwala na bardzo szybkie i niezwykle precyzyjne bezpośrednie pomiary temperatur na końcu falowodu. Nasz termometr do obwód nadprzewodzący bezpośrednio podłączony do końca falowodu, którego temperaturę mierzy. To dość prosty i prawdopodobnie najszybszy i najbardziej precyzyjny termometr do tego typu pomiarów. Pracuje on w skali milikelwinów, mówi profesor Simone Gasparinetti.
      Specjaliści z Wallenberc Centre for Quantum Technology (WACQT) chcą do roku 2030 stworzyć kwantowy komputer korzystający z co najmniej 100 kubitów. Osiągnięcie tego celu będzie wymagało schłodzenia procesora do temperatury bliskiej zeru absolutnemu, mówi się o 10 milikelwinach. Nowy termometr będzie bardzo ważnym narzędziem na drodze do osiągnięcia tego celu. Dzięki niemu naukowcy sprawdzą, jak dobrze sprawuje się ich system i jakie ma niedociągnięcia.
      Konkretna temperatura jest związana z konkretną liczbą fotonów termicznych, a ich liczba spada wykładniczo wraz ze spadkiem temperatury. Jeśli uda nam się obniżyć temperaturę na końcu falowodu do 10 milikelwinów to drastycznie zredukujemy ryzyko wystąpienia błędów, mówi profesor Per Delsing, lider WACQT.
      Precyzyjne pomiary temperatury są też istotne dla producentów podzespołów dla komputerów kwantowych, gdyż dzięki nim będą wiedzieli, czy ich produkty spełniają odpowiednie standardy.
      Nowy termometr może mieć jednak znacznie szersze zastosowania. Może przyczynić się do dokonania znacznego postępu w nauce i technologii. Takie zjawiska jak superpozycja, splatanie czy dekoherencja mogą mieć bowiem znaczenie również w termodynamice. Nie można wykluczyć, że w nanoskali prawa termodynamiki ulegają zmianom. I być może zmiany te uda się wykorzystać np. do udoskonalenia silników, akumulatorów i innych urządzeń.
      Przez ostatnich 15–20 lat prowadzono badania, których celem było sprawdzenie, w jaki sposób zasady termodynamiki mogą ulegać modyfikacjom pod wpływem zjawisk kwantowych. Kwestia wykorzystania zjawisk kwantowych w termodynamice jest wciąż kwestią otwartą, stwierdza Gasparinetti.
      Nowy termometr mógłby np. posłużyć do pomiarów rozpraszania mikrofal w obwodzie, działającym jak kwantowy silnik cieplny lub kwantowa lodówka. Standardowe termometry były kluczowym narzędziem rozwoju klasycznej termodynamiki. Mamy nadzieję, że w przyszłości nasz termometr będzie fundamentem rozwoju termodynamiki kwantowej, wyjaśnia doktorant Marco Scigliuzzo.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Amerykański Departament Energii (DoE) udostępnił otwartoźródłową kwantową platformę testową Quantum Scientific Computing Open User Testbed (QSCOUNT). Z 3-kubitowego systemu znajdującego się w Sandia National Laboratories jako pierwsi skorzystali naukowcy z Indiana University.
      Komputery kwantowe to przyszłość informatyki, jednak do ich rozwoju potrzebna jest możliwość prowadzenia badań i eksperymentów na tego typu maszynach. Jednak obecnie komputerami kwantowymi dysponują nieliczne firmy i uczelnie na świecie. Dlatego też DoE zdecydował o udostępnieniu maszyny z SNL, by mogli z niej korzystać naukowcy, na których uczelniach nie ma tego typu maszyn. Dzięki QSCOUT mogą to zrobić bezpłatnie, a co więcej, mogą prowadzić prace, na które nie zezwalają firmy komercyjnie udostępniające komputery kwantowe.
      QSCOUT służy potrzebom specjalistów dając im możliwość kontroli i badania samej maszyny, co jeszcze nie jest dostępne w systemach komercyjnych. Ponadto oszczędza specjalistom wysiłku związanego z budową własnych maszyn kwantowych. Mamy nadzieję, że dzięki tej inicjatywie zyskamy nowe informacje na temat wydajności i architektury systemów kwantowych oraz dowiemy się, jak rozwiązywać różne problemy związane z obliczeniami kwantowymi, mówi fizyk Susan Clark, która kieruje projektem QSCOUT.
      Użytkownicy dostają do dyspozycji pierwszy opensource'owy system kwantowy. Wykorzystuje on technologię uwięzionych jonów i daje użytkownikowi bezprecedensową kontrolę nad prowadzonymi przez siebie badaniami.
      Jak już wspomnieliśmy, pierwszymi, którzy skorzystali z oferty byli naukowcy z Indiana University. Następni w kolejce są specjaliści z IBM-a, Oak Ridge National Laboratory, Univeristy of New Mexico i University of Carifolnia, Berkeley. Będą oni prowadzili szeroko zakrojone badania obejmujące zarówno rozwój benchmarków, czyli systemów oceny wydajności, dla komputerów kwantowych jak i prace nad algorytmami, rozwiązującym problemy z zakresu chemii, które są zbyt złożone dla komputerów klasycznych.
      O dostęp do platformy QSCOUT może zwrócić się każdy, a dostęp do maszyny finansuje DoE. Jeszcze wiosną zostanie wybrana kolejna grupa projektów, których pomysłodawcy będą mogli korzystać z kwantowej maszyny.
      Serce kwantowej maszyny Sandii stanowi pułapka jonowa z uwięzionymi trzema atomami iterbu. Są one uwięzione za pomocą fal radiowych i pola elektrycznego. Każdy z jonów stanowi pojedynczy kubit, w którym informacje kodowane są za pomocą laserów.
      W ciągu najbliższych 3 lat system zostanie rozbudowany do 32 kubitów.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...