Powstały procesory kwantowe niemal wolne od błędów. Polak współautorem przełomowych badań
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Polska fizyk, Barbara Latacz, jest główną autorką badań, w ramach których naukowcy skupieni w projekcie BASE w CERN zaprezentowali pierwszy w historii kubit z antymaterii. Na łamach pisma Nature Latacz i jej koledzy opisali, jak przez niemal minutę utrzymywali w pułapce antyproton oscylujący pomiędzy dwoma stanami kwantowymi. Badania te pozwolą na znaczne udoskonalenie metod badania różnic między materią i antymaterią.
Proton i antyproton mogą przyjmować dwie wartości spinu. Pomiary zmiany tej wartości pozwalają na precyzyjne testowanie podstawowych praw przyrody, na przykład takich jak symetria CPT (ładunku, parzystości i czasu). Wskazuje ona, że materia i antymateria zachowują się identycznie, jednak jest to sprzeczne z obserwacjami, zgodnie z którymi materii we wszechświecie jest znacznie więcej niż antymaterii.
Spójne kontrolowane zmiany stanu kwantowego obserwowano dotychczas albo w dużych grupach cząstek, albo w przypadku pojedynczych uwięzionych jonów. Nie udało się tego jednak zrobić dla pojedynczego swobodnego momentu magnetycznego jądra, czyli np. spinu pojedynczego protonu. Teraz dokonali tego naukowcy z projektu BASE.
W ramach eksperymentu BASE badane są antyprotony dostarczane przez fabrykę antymaterii w CERN-ie. To jedyne miejsce na Ziemi, gdzie produkuje się niskoenergetyczne antyprotony. Są one przechowywane w elektromagnetycznych pułapkach Penninga i pojedynczo przesyłane do systemu pułapek, w których bada się m.in. ich spin.
Już wcześniej zespół BASE dowiódł, że wartości momentów magnetycznych protonów i antyprotonów są identyczne z dokładnością do kilku części na miliard. Najmniejsza różnica wskazywałaby na naruszenie symetrii CPT, a to oznaczałoby istnienie fizyki poza Modelem Standardowym. Dotychczas jednak badania były zakłócane przez fluktuacje pola magnetycznego. W ostatnim czasie naukowcom udało się znakomicie ulepszyć eksperyment i zapobiec utracie stanu kwantowego, dzięki czemu przez 50 sekund można było badać spin antyprotonu.
To pierwszy kubit zbudowany z antymaterii. Daje nam to możliwość zastosowania całego zestawu metod do precyzyjnego badania pojedynczych układów materii i antymaterii, mówi Stefan Ulmer z BASE. Uczony dodaje, że nowe osiągnięcie pozwoli na badanie momentu pędu antyprotonu nawet ze 100-krotnie większą precyzją, niż dotychczas.
Jeszcze bardziej precyzyjne pomiary będą możliwe dzięki projektowi BASE-STEP, o którego pierwszym udanym teście poinformowano w maju bieżącego roku. Umożliwia on bezpieczne transportowanie antyprotonów uzyskanych w CERN-ie do spokojniejszych środowisk i bardziej precyzyjnych laboratoriów. Gdy już system będzie w pełni działał, nasz nowy przenośny układ pułapek Penninga, napełniony antyprotonami z fabryki, będzie transportowany za pomocą BASE-STEP, co pozwoli na nawet 10-krotne wydłużenie czasu koherencji antyprotonu. To będzie przełom w badaniach nad materią barionową, mówi Barbara Latacz.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Fizycy z Uniwersytetu Oksfordzkiego pobili światowy rekord w precyzji kontrolowania pojedynczego kubitu. Uzyskali odsetek błędów wynoszący zaledwie 0,000015%, co oznacza, że ich kubit może popełnić błąd raz na 6,7 milionów operacji. O ile wiemy to najbardziej precyzyjne operacje z udziałem kubitów, jakie kiedykolwiek wykonano. To ważny krok w kierunku budowy praktycznego komputera kwantowego, który zmierzy się z prawdziwymi problemami, mówi współautor badań, profesor David Lucas z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Oksfordzkiego.
Użyteczne obliczenia prowadzone za pomocą komputerów kwantowych będą wymagały prowadzenia milionów operacji przez wiele kubitów. To oznacza, że jeśli odsetek błędów będzie zbyt wysoki, obliczenia staną się nieużyteczne. Oczywiście istnieją metody korekcji błędów, ale ich zastosowanie będzie wymagało zaangażowania kolejnych kubitów. Opracowana w Oksfordzie nowa metoda zmniejsza liczbę błędów, zatem zmniejsza liczbę wymaganych kubitów, a to oznacza, że zmniejsza rozmiary i koszt budowy samego komputera kwantowego.
Jeśli zmniejszymy liczbę błędów, możemy zmniejszyć moduł zajmujący się korektą błędów, a to będzie skutkowało mniejszym, tańszym, szybszym i bardziej wydajnym komputerem kwantowym. Ponadto techniki precyzyjnego kontrolowania pojedynczego kubity są przydatne w innych technologiach kwantowych, jak zegary czy czujniki kwantowe.
Bezprecedensowy poziom kontroli i precyzji został uzyskany podczas pracy z uwięzionym jonem wapnia. Był on kontrolowany za pomocą mikrofal. Taka metoda zapewnia większą stabilność niż kontrola za pomocą laserów, jest też od nich tańsza, bardziej stabilna i łatwiej można ją zintegrować w układach scalonych. Co więcej, eksperymenty prowadzono w temperaturze pokojowej i bez użycia ochronnego pola magnetycznego, co znakomicie upraszcza wymagania techniczne stawiane przed komputerem wykorzystującym tę metodę.
Mimo że osiągnięcie jest znaczące, przed ekspertami pracującymi nad komputerami kwantowymi wciąż stoją poważne wyzwania. Komputery kwantowe wymagają współpracy jedno- i dwukubitowych bramek logicznych. Obecnie odsetek błędów na dwukubitowych bramkach jest bardzo wysoki, wynosi około 1:2000. Zanim powstanie praktyczny komputer kwantowy trzeba będzie dokonać znaczącej redukcji tego odsetka.
Źródło: Single-qubit gates with errors at the 10−7 level, https://journals.aps.org/prl/accepted/10.1103/42w2-6ccy
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z Aalto University, IQM Quantum Computers oraz VTT Technical Research Centre of Finland odkryli nowy nadprzewodzący kubit. Unimon bo o nim mowa, zwiększy dokładność obliczeń dokonywanych za pomocą komputerów kwantowych. Pierwsze bramki logiczne wykorzystujące unimony pracują z dokładnością 99,9%.
Nieliczne współczesne komputery kwantowe wciąż nie są wystarczająco wydajne i nie dostarczają wystarczająco dokładnych danych, by można było je zaprzęgnąć do obliczeń rozwiązujących praktyczne problemy. Są najczęściej urządzeniami badawczo-rozwojowymi, służącymi pracom nad kolejnymi generacjami komputerów kwantowych. Wciąż zmagamy się z licznymi błędami powstającymi w 1- i 2-kubitowych bramkach logicznych chociażby wskutek zakłóceń z otoczenia. Błędy te są na tyle poważne, że uniemożliwiają prowadzenie praktycznych obliczeń.
Naszym celem jest zbudowanie kwantowych komputerów, które nadawałyby się do rozwiązywania rzeczywistych problemów. To odkrycie jest ważnym kamieniem milowym dla IQM oraz znaczącym osiągnięciem na drodze ku zbudowaniu lepszych komputerów kwantowych, powiedział główny autor badań, profesor Mikko Möttönen z Aalto University i VTT, który jest współzałożycielem i głównym naukowcem IQM Quantum Computers.
Unimony charakteryzują się zwiększoną anharmonicznością, pełną odpornością na szumy wywoływane prądem stałym, zmniejszoną wrażliwością na zakłócenia magnetyczne oraz uproszczoną budową, która wykorzystuje pojedyncze złącze Josephsona w rezonatorze. Dzięki temu w jednokubitowej bramce o długości 13 nanosekund udało się uzyskać dokładność od 99,8 do 99,9 procent na trzech kubitach unimonowych. Dzięki wyższej anharmoniczności czyli nieliniowości niż w transmonach [to wcześniej opracowany rodzaj kubitów, który ma zredukowaną wrażliwość za zakłócenia ze strony ładunku elektrycznego – red.], możemy pracować z unimonami szybciej, co prowadzi do pojawiania się mniejszej liczby błędów na każdą operację, wyjaśnia doktorant Eric Hyyppä.
Na potrzeby badań fińscy naukowcy skonstruowali układy scalone, z których każdy zawierał trzy kubity unimonowe. W układach użyto głównie niobu, z wyjątkiem złącz Josephsona, które zbudowano z aluminium. Unimony są bardzo proste, a mimo to mają liczne zalety w porównaniu z transmonami. Sam fakt, że już pierwsze uzyskane unimony działały tak dobrze, pozostawia dużo miejsca na ich optymalizację i osiągnięcie ważnych kamieni milowych. W następnym kroku badań chcemy zapewnić jeszcze lepszą ochronę przed szumem i zademonstrować bramki dwukubitowe, mówi profesor Möttönen.
Więcej o unimonie można przeczytać na łamach Nature Communications.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Grupa japońskich naukowców z Kyoto University wykorzystała eksplozje do wyprodukowania... najmniejszych diamentowych termometrów, które można będzie wykorzystać do bezpiecznych pomiarów różnic temperatury w pojedynczej żywej komórce.
Gdy w sieci krystalicznej diamentu dwa sąsiadujące atomy węgla zostaną zastąpione pojedynczym atomem krzemu, pojawia się optycznie aktywne miejsce, zwane centrum krzem-wakancja (silicon-vacancy center, SiV). Od niedawna wiemy, że takie miejsca są obiecującym narzędziem do pomiaru temperatur w skali nanometrów. Atom krzemu, gdy zostanie wzbudzony laserem, zaczyna jasno świecić w wąskim zakresie światła widzialnego lub bliskiej podczerwieni, a kolor tego światła zmienia się liniowo w zależności od temperatury otoczenia diamentu.
Zjawisko to jest bezpieczne dla żywych organizmów, nawet dla bardzo delikatnych struktur. To zaś oznacza, że można je wykorzystać podczas bardzo złożonych badań nad strukturami biologicznymi, np. podczas badania procesów biochemicznych wewnątrz komórki. Problem stanowi jednak sam rozmiar nanodiamentów. Uzyskuje się je obecnie różnymi technikami, w tym za pomocą osadzania z fazy gazowej, jednak dotychczas potrafiliśmy uzyskać nanodiamenty o wielkości około 200 nm. Są one na tyle duże, że mogą uszkadzać struktury wewnątrzkomórkowe.
Norikazu Mizuochi i jego zespół opracowali technikę pozyskiwania 10-krotnie mniejszych niż dotychczas nanodiamentów SiV. Japońscy naukowcy najpierw wymieszali krzem ze starannie dobraną mieszaniną materiałów wybuchowych. Następnie, w atmosferze wypełnionej CO2, dokonali eksplozji. Później zaś przystąpili do wieloetapowej pracy z materiałem, który pozostał po eksplozji. Najpierw za pomocą kwasu usunęli sadzę i metaliczne zanieczyszczenia, następnie rozcieńczyli i wypłukali uzyskany materiał w wodzie dejonizowanej, w końcu zaś pokryli uzyskane nanodiamenty biokompatybilnym polimerem. Na końcu za pomocą wirówki usunęli wszystkie większe nanodiamenty. W ten sposób uzyskali jednorodny zbiór sferycznych nanodiamentów SiV o średniej średnicy 20 nm. To najmniejsze wyprodukowane nanodiamenty SiV.
Mizouchi wraz z kolegami przeprowadzili serię eksperymentów, podczas których wykazali, że ich nanodiamenty pozwalają na precyzyjne pomiary temperatury w zakresie od 22 do 40,5 stopnia Celsjusza. Zakres ten obejmuje temperatury wewnątrz większości organizmów żywych. To zaś otwiera nowe możliwości badań struktur wewnątrzkomórkowych. Japończycy zapowiadają, że rozpoczynają prace nad zwiększeniem liczby SiV w pojedynczym nanodiamencie, co ma pozwolić na uzyskanie jeszcze większej precyzji pomiaru. Dzięki temu – mają nadzieję – w przyszłości można będzie badać poszczególne organelle.
Szczegóły badań zostały opisane na łamach Carbon.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Krzem, jeden z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków na Ziemi, stanowi podstawę nowoczesnego świata. Bez niego nie mielibyśmy ani paneli fotowoltaicznych ani układów scalonych. Jednak właściwości krzemu jako półprzewodnika są dalekie od ideału. Elektrony w krzemie mogą przemieszczać się z dużymi prędkościami, ale tego samego nie można już powiedzieć o dziurach, towarzyszkach elektronów. Ponadto krzem słabo przewodzi ciepło, przez co konieczne jest stosowanie kosztownych systemów chłodzenia.
Badacze z MIT, Uniwersytetu w Houston i innych instytucji wykazali właśnie, że krystaliczny sześcienny arsenek boru jest pozbawiony tych wad. Zapewnia dużą mobilność elektronom i dziurom oraz charakteryzuje się świetnym przewodnictwem cieplnym. Badacze twierdzą, że to najlepszy ze znanych nam półprzewodników, a może i najlepszy z możliwych półprzewodników.
Dotychczas jednak arsenek boru był wytwarzany i testowany w niewielkich ilościach wytwarzanych na potrzeby badań naukowych. Takie próbki były niejednorodne. Opracowanie metod ekonomicznej produkcji tego związku na skalę przemysłową będzie wymagało dużo pracy.
Już w 2018 roku David Broido, który jest współautorem najnowszych badań, teoretycznie przewidział, że arsenek boru powinien charakteryzować się świetnym przewodnictwem cieplnym. Później przewidywania te zostały dowiedzione eksperymentalnie. Wykazano m.in., że chłodzi on układy scalone lepiej niż diament. Okazało się równie, że materiał ten ma bardzo dobre pasmo wzbronione, którego istnienie jest niezbędną cechą półprzewodnika. Obecne badania dodały zaś do tego obrazu możliwość szybkiego transportu elektronów i dziur, zatem arsenek boru wydaje się mieć wszystkie cechy półprzewodnika idealnego.
To bardzo ważna cecha, gdyż w półprzewodnikach mamy jednocześnie ładunki dodatnie i ujemne. Jeśli więc budujemy z nich urządzenie elektroniczne, chcemy, by zarówno elektrony jak i dziury napotykały jak najmniejszy opór, mówi profesor Gang Chen z MIT.
Krzem i inne półprzewodniki, jak np. używany do budowy laserów arsenek galu, charakteryzuje się dobrą mobilnością elektronów, ale nie dziur. Poważnym problemem jest też rozpraszanie ciepła. Ciepło to poważny problem w elektronice. W samochodach elektrycznych stosuje się z tego powodu węglik krzemu. Ma on co prawda mniejszą mobilność elektronów niż krzem, ale za to jego przewodnictwo cieplne jest 3-krotnie lepsze. Wyobraźmy sobie więc, co moglibyśmy osiągnąć stosując arsenek boru, który ma 10-krotnie lepsze przewodnictwo cieplne i większość mobilność dziur oraz elektronów niż krzem. To by wszystko zmieniło, dodaje doktor Jungwoo Shin z MIT.
Wyzwaniem jest obecnie opracowanie metod produkcji arsenku boru w ilościach, które można by praktycznie wykorzystać. Obecne metody produkcyjne pozwalają na uzyskanie bardzo niejednorodnego materiału, z którego naukowcy wydzielają niewielkie jak najbardziej jednorodne fragmenty, by badać je w laboratoriach.
Wiele wskazuje na to, że arsenek boru jest półprzewodnikiem (niemal) idealnym, ale nie wiemy, czy będziemy w stanie go wykorzystać, dodaje Chen. Krzem stanowi podstawę całego przemysłu półprzewodnikowego, zatem od opracowania metod masowej produkcji jednorodnego arsenku boru zależy, czy trafi on pod strzechy. Badania nad krzemem trwały całe dziesięciolecia, zanim dowiedzieliśmy się, jak uzyskiwać ten materiał o czystości dochodzącej do 99,99999999%. Arsenek boru ma jeszcze przed nami wiele tajemnic. Zanim wyprodukujemy z niego elektronikę musimy np. poznać jego długookresową stabilność.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.