-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Oksfordzkiego wykonali ważny krok w kierunku praktycznego wykorzystania komputerów kwantowych. Jako pierwsi zaprezentowali kwantowe przetwarzanie rozproszone. Wykorzystali przy tym fotoniczny interfejs, za pomocą którego połączyli dwa procesory kwantowe w jeden w pełni działający komputer. Swoje osiągnięcie opisali na łamach Nature.
W ten sposób zapoczątkowali rozwiązanie problemu skalowalności maszyn kwantowych. Dzięki temu można, przynajmniej teoretycznie, połączyć olbrzymią liczbę niewielkich urządzeń kwantowych, które działałyby jak jeden procesor operujący na milionach kubitów. Zaproponowana na Oksfordzie architektura składa się z niewielkich węzłów, z których każdy zawiera małą liczbę kubitów, na które składają się jony uwięzione w pułapkach. Połączone za pomocą światłowodów węzły można ze sobą splątać, co pozwala na przeprowadzanie obliczeń kwantowych, podczas których wykorzystuje się kwantową teleportację.
Oczywiście już wcześniej różne zespoły naukowe potrafiły dokonać kwantowej teleportacji stanów. Wyjątkowym osiągnięciem uczonych z Oksfordu jest teleportacja bramek logicznych. Zdaniem badaczy, kładzie to podwaliny pod „kwantowy internet” przyszłości, w którym odległe procesory utworzą bezpieczną sieć komunikacyjną i obliczeniową.
Autorzy dotychczasowych badań nad kwantową teleportacją skupiali się na teleportacji stanów kwantowych pomiędzy fizycznie oddalonymi systemami. My użyliśmy kwantowej teleportacji do przeprowadzenia interakcji pomiędzy takimi systemami. Precyzyjnie dostrajając takie interakcje możemy przeprowadzać operacje na bramkach logicznych pomiędzy kubitami znajdującymi się w oddalonych od siebie miejscach. To pozwala na połączenie różnych procesorów kwantowych w jeden komputer, mówi główny autor badań Dougal Main.
Wykorzystana koncepcja jest podobna do architektury superkomputerów, w których poszczególne węzły obliczeniowe – de facto osobne komputery – są połączone tak, że działają jak jedna wielka maszyna. W ten sposób naukowcy ominęli problem upakowania coraz większej liczby kubitów w jednym komputerze, zachowując jednocześnie podatne na zakłócenia stany kwantowe, niezbędne do przeprowadzania operacji obliczeniowych. Taka architektura jest też elastyczna. Pozwala na podłączania i odłączanie poszczególnych elementów, bez zaburzania całości.
Badacze przetestowali swój komputer za pomocą algorytmu Grovera. To kwantowy algorytm pozwalający na przeszukiwanie wielkich nieuporządkowanych zbiorów danych znacznie szybciej niż za pomocą klasycznych komputerów. Nasz eksperyment pokazuje, że obecna technologia pozwala na kwantowe przetwarzanie rozproszone. Skalowanie komputerów kwantowych to poważne wyzwanie technologiczne, które prawdopodobnie będzie wymagało nowych badań w dziedzinie fizyki i będzie wiązało się poważnymi pracami inżynieryjnymi w nadchodzących latach, dodaje profesor David Lucas z UK Quantum Computing and Simulation Lab.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Komputery kwantowe mogą, przynajmniej teoretycznie, przeprowadzać obliczenia, które są poza zasięgiem tradycyjnych maszyn. Ich kluczowym elementem są splątane kwantowe bity, kubity. Splątanie jest jednak stanem niezwykle delikatnym, bardzo wrażliwym na wpływ czynników zewnętrznych, na przykład promieniowania kosmicznego. Powoduje ono, że średnio co 10 sekund dochodzi do katastrofalnego błędu i kwantowe układy scalone tracą dane. Może ono za jednym razem usunąć wszelkie dane z procesora nawet najbardziej zaawansowanej maszyny kwantowej.
Fizyk Quian Xu z University of Chicago i jego koledzy poinformowali o opracowaniu metody, która aż o 440 000 razy wydłuża czas pomiędzy błędami powodowanymi przez promieniowanie kosmiczne. Zatem mają one miejsce raz na 51 dni.
Badacze zaproponowali komputer kwantowy składający się z wielu układów scalonych z danymi, z których każdy posiada liczne nadprzewodzące kubity. Wszystkie te układy są połączone z układem pomocniczym, który zawiera dodatkowe kubity monitorujące dane. Wszystkie chipy korzystałyby ze standardowych metod korekcji błędów oraz dodatkowej korekcji błędów powodowanych przez promieniowanie kosmiczne. Dzięki temu, że dane są rozdzielone na różne układy, zniszczenia powodowane przez promieniowanie kosmiczne są ograniczane. Gdy już do nich dojdzie, układ pomocniczy, we współpracy z układami, których dane nie zostały uszkodzone przez promieniowanie, przystępuje do korekty i odzyskania utraconych danych. Komputer nie musi rozpoczynać pracy na nowo, gdy tylko niektóre układy utracą dane, Xu. Co więcej, metoda ta wykrywa i koryguje dane pojawiające się w układzie pomocniczym.
Autorzy badań twierdzą, że ich metoda wymaga zaangażowania mniejszej ilości zasobów oraz żadnych lub niewielkich modyfikacji sprzętowych w porównaniu z dotychczasowymi próbami ochrony komputerów kwantowych przed promieniowaniem kosmicznym. W przyszłości chcieliby ją przetestować na chmurze kwantowej IBM-a lub procesorze Sycamore Google'a.
Ze szczegółowym opisem metody można zapoznać się na łamach arXiv.
« 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
Komputery kwantowe mogą zrewolucjonizować wiele dziedzin nauki oraz przemysłu, przez co wpłyną na nasze życie. Rodzi się jednak pytanie, jak duże muszą być, by rzeczywiście dokonać zapowiadanego przełomu. Innymi słowy, na ilu kubitach muszą operować, by ich moc obliczeniowa miała znaczący wpływ na rozwój nauki i technologii.
Na pytanie to postanowili odpowiedzieć naukowcy z Wielkiej Brytanii i Holandii. Przyjrzeli się dwóm różnym typom problemów, jakie będą mogły rozwiązywać komputery kwantowe: złamaniu zabezpieczeń Bitcoina oraz symulowanie pracy kofaktora FeMo (FeMoco), który jest ważnym elementem białka wchodzącego w skład nitrogenazy, enzymu odpowiedzialnego za asymilację azotu.
Z AVS Quantum Science dowiadujemy się, że naukowcy stworzyli specjalne narzędzie, za pomocą którego mogli określić wielkość komputera kwantowego oraz ilość czasu potrzebnego mu do rozwiązania tego typu problemów. Obecnie większość prac związanych z komputerami kwantowymi skupia się na konkretnych platformach sprzętowych czy podzespołach nadprzewodzących. Różne platformy sprzętowe znacząco się od siebie różnią chociażby pod względem takich kluczowych elementów, jak tempo pracy czy kontrola jakości kubitów, wyjaśnia Mark Webber z University of Sussex.
Pobieranie azotu z powietrza i wytwarzanie amoniaku na potrzeby produkcji nawozów sztucznych to proces wymagający dużych ilości energii. Jego udoskonalenie wpłynęłoby zarówno na zwiększenie produkcji żywności, jak i zmniejszenie zużycia energii, co miałoby pozytywny wpływ na klimat. Jednak symulowanie odpowiednich molekuł, których opracowanie pozwoliłoby udoskonalić ten proces jest obecnie poza możliwościami najpotężniejszych superkomputerów.
Większość komputerów kwantowych jest ograniczone faktem, że wykorzystywane w nich kubity mogą wchodzić w bezpośrednie interakcje tylko z kubitami sąsiadującymi. W innych architekturach, gdzie np. są wykorzystywane jony uwięzione w pułapkach, kubity nie znajdują się na z góry ustalonych pozycjach, mogą się przemieszczać i jeden kubit może bezpośrednio oddziaływać na wiele innych. Badaliśmy, jak najlepiej wykorzystać możliwość oddziaływania na odległe kubity po to, by móc rozwiązać problem obliczeniowy w krótszym czasie, wykorzystując przy tym mniej kubitów, wyjaśnia Webber.
Obecnie największe komputery kwantowe korzystają z 50–100 kubitów, mówi Webber. Naukowcy oszacowali, że do złamania zabezpieczeń sieci Bitcoin w ciągu godziny potrzeba – w zależności od sprawności mechanizmu korekty błędów – od 30 do ponad 300 milionów kubitów. Mniej więcej godzina upływa pomiędzy rozgłoszeniem a integracją blockchaina. To czas, w którym jest on najbardziej podatny na ataki.
To wskazuje, że Bitcoin jest obecnie odporna na ataki z wykorzystaniem komputerów kwantowych. Jednak uznaje się, że możliwe jest zbudowanie komputerów kwantowych takiej wielkości. Ponadto ich udoskonalenie może spowodować, że zmniejszą się wymagania, co do liczby kubitów potrzebnych do złamania zabezpieczeń Bitcoin.
Webber zauważa, że postęp na polu komputerów kwantowych jest szybki. Przed czterema laty szacowaliśmy, że do złamania algorytmu RSA komputer kwantowy korzystający z jonów uwięzionych w w pułapce potrzebowałby miliarda fizycznych kubitów, a to oznaczało, że maszyna taka musiałaby zajmować powierzchnię 100 x 100 metrów. Obecnie, dzięki udoskonaleniu różnych aspektów tego typu komputerów, do złamania RSA wystarczyłaby maszyna o rozmiarach 2,5 x 2,5 metra.
Z kolei do przeprowadzenia symulacji pracy FeMoco komputery kwantowe, w zależności od wykorzystanej architektury i metod korekcji błędów, potrzebowałyby od 7,5 do 600 milionów kubitów, by przeprowadzić taką symulację w ciągu około 10 dni.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Po raz pierwszy udało się zrekonstruować w laboratorium falową naturę elektronu, jego funkcję falową Blocha. Dokonali tego naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara (UCSB), a ich praca może znaleźć zastosowanie w projektowaniu kolejnych generacji urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych.
Elektrony zachowują się jednocześnie jak cząstki oraz jak fala. Ich falowa natura opisywane jest przez naukowców za pomocą obiektów matematycznych zwanych funkcjami falowymi. Funkcje te zawierają zarówno składowe rzeczywiste, jak i urojone. Z tego też powodu funkcji falowej Blocha elektronu nie można bezpośrednio zmierzyć. Można jednak obserwować powiązane z nią właściwości. Fizycy od dawna próbują zrozumieć, w jaki sposób falowa natura elektronów poruszających się przez sieć krystaliczną atomów, nadaje tej sieci właściwości elektroniczne i optyczne. Zrozumienie tego zjawiska pozwoli nam projektowanie urządzeń lepiej wykorzystujących falową naturę elektronu.
Naukowcy z Santa Barbara wykorzystali silny laser na swobodnych elektronach, który posłuży im do uzyskanie oscylującego pola elektrycznego w półprzewodniku, arsenu galu. Jednocześnie za pomocą lasera podczerwonego o niskiej częstotliwości wzbudzali jego elektrony. Wzbudzone elektrony pozostawiały po sobie „dziury” o ładunku dodatnim. Jak wyjaśnia Mark Sherwin, w arsenku galu dziury te występują w dwóch odmianach – lekkiej i ciężkiej – i zachowują się jak cząstki o różnych masach.
Para elektron-dziura tworzy kwazicząstkę zwaną ekscytonem. Fizycy z UCSB odkryli, że jeśli utworzy się elektrony i dziury w odpowiednim momencie oscylacji pola elektrycznego, to oba elementy składowe ekscytonów najpierw oddalają się od siebie, następnie zwalniają, zatrzymują się, zaczynają przyspieszać w swoim kierunku, dochodzi do ich zderzenia i rekombinacji. W czasie rekombinacji emitują impuls światła – zwany wstęgą boczną – o charakterystycznej energii. Emisja ta zawiera informacje o funkcji falowej elektronów, w tym o ich fazach.
Jako, że światło i ciężkie dziury przyspieszają w różnym tempie w polu elektrycznym ich funkcje falowe Blocha mają różne fazy przed rekombinacją z elektronami. Dzięki tej różnicy fazy dochodzi do interferencji ich funkcji falowych i emisji, którą można mierzyć. Interferencja ta determinuje też polaryzację wstęgi bocznej. Może ona być kołowa lub eliptyczna.
Autorzy eksperymentu zapewniają, że sam prosty stosunek pomiędzy interferencją a polaryzacją, który można zmierzyć, jest wystarczającym warunkiem łączącym teorię mechaniki kwantowej ze zjawiskami zachodzącymi w rzeczywistości. Ten jeden parametr w pełni opisuje funkcję falową Blocha dziury uzyskanej w arsenku galu. Uzyskujemy tę wartość mierząc polaryzację wstęgi bocznej, a następnie rekonstruując funkcję falową, która może się różnić w zależności od kąta propagacji dziury w krysztale, dodaje Seamus O'Hara.
Do czego takie badania mogą się przydać? Dotychczas naukowcy musieli polegać na teoriach zawierających wiele słabo poznanych elementów. Skoro teraz możemy dokładnie zrekonstruować funkcję falową Blocha dla różnych materiałów, możemy to wykorzystać przy projektowaniu i budowie laserów, czujników i niektórych elementów komputerów kwantowych, wyjaśniają naukowcy.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.