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

Kwantowy postęp

Recommended Posts

Naukowcy ponownie przybliżyli nas do dnia, w którym powstaną kwantowe komputery. Sven Rogge i jego zespół z Delft University, wraz z kolegami z tak znanych instytucji jak Purdue University, University of Melbourne i belgijski IMEC, pokazali, że można kontrolować stan kwantowy pojedynczego elektronu. I to za pomocą obecnie dostępnych narzędzi.

Uczeni wykorzystali tranzystory, używane do badań nad nanotechnologiami. Każdy z tranzystorów składał się z dwóch skrzyżowanych krzemowych nanowłókien. Jedno z nanowłókien, to leżące pod spodem drugiego, było podłączone do elektrod zawierających arsen. Czasami, po przyłożeniu napięcia, do tranzystora przedostawał się atom arsenu. Gdy naukowcy włączyli napięcie w 100 tranzystorach, okazało się, że w sześciu z nich pojawiły się atomy arsenu. Dalsze badania wykazały, że dzięki zmianom napięcia można kontrolować stan kwantowy jednego z elektronów w atomie. Dzięki skaningowej spektroskopii tunelowej udało się zidentyfikować w sześciu tranzystorach trzy różne stany elektronów. Jeden z nich odpowiadał stanowi, w którym elektron znajdował się jednocześnie w dwóch miejscach - a właśnie taki stan jest potrzebny do przeprowadzania obliczeń kwantowych.

Naukowcy wiedzieli jednak, że by zrozumieć zachowanie pojedynczego atomu, muszą przeprowadzić badania na dużej grupie. Wykorzystali komercyjnie dostępne oprogramowanie NEMO 3D do opisania dużego systemu składającego się z 1,4 miliona atomów. Okazało się, że wyniki pomiarów za pomocą oprogramowania zgadzają się z wynikami obserwacji za pomocą spektroskopu. To bardzo dobra wiadomość, gdyż pokazuje, że komputerowa symulacja jest przeprowadzana prawidłowo.

Stan elektronu można kontrolować za pomocą siły pola magnetycznego krzemowego nanowółkna znajdującego się na wierzchu. Przy słabym polu magnetycznym elektron pozostaje przy atomie arsenu. Przy silnym, oddala się od niego. Odpowiednio dobrane pole magnetyczne powoduje zaś, że elektron znajduje się w obu miejscach jednocześnie.

Warto pamiętać, że do działania komputera kwantowego konieczne jest, by qubity (kwantowe bity) były ze sobą splątane. Oddalenie elektronu od atomu może być dobrą metodą na splątanie qubitów.

Naukowcy zauważają, że muszą się jeszcze nauczyć w jaki sposób umieszczać atomy arsenu w krzemowych nanowłóknach. Obecnie potrafią umieścić je przez przypadek, stąd wynik 6 atomów w 100 wykorzystanych tranzystorach. Akademicy chcą też sprawdzić, co się stanie, jeśli w tym samym nanowłóknie znajdą się 2 atomy.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Znów się trochę czepiam, ale:

"Wykorzystali komercyjnie dostępne oprogramowanie NEMO 3D >>do opisanie<< dużego systemu składającego się z 1,4 miliona atomów."

 

;-)

 

Pozdrawiam,

WhizzKid

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
      Scharakteryzowanie i optymalizacja obliczeń kwantowych wykonywanych przez kubity, czyli podstawowe jednostki komputera kwantowego to zadanie, jakie postawili przed sobą polscy fizycy i informatycy, zrzeszeni w projekcie TEAM-NET, kierowanym przez prof. Marka Kusia. Rezultaty ich badań będą kolejną cegiełką dołożoną do budowy komputera kwantowego, nad którym usilnie pracują naukowcy i przedsiębiorstwa z całego świata. Na realizację projektu TEAM-NET uczeni otrzymali dofinansowanie od Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, w wysokości ponad 17 mln zł.
      Czym jest komputer kwantowy i czym różni się od komputera klasycznego? We współcześnie używanych na co dzień komputerach dane są zapisywane w systemie binarnym czyli poprzez sekwencje bitów, z których każdy znajduje się w jednym z dwóch stanów: 0 lub 1. Grupy takich bitów są przesyłane między różnymi podzespołami jednego komputera lub też między różnymi komputerami w sieci. Co istotne, komputer klasyczny wykonuje operacje w określonej kolejności, jedna po drugiej, i nie jest w stanie wykonywać kilku czynności jednocześnie. Dlatego im bardziej złożone jest zadanie, tym dłużej trwa szukanie rozwiązań, a do rozwiązania wielu ze współczesnych problemów moc obliczeniowa klasycznych komputerów jest już wręcz niewystarczająca.
      Kilka sekund zamiast kilku lat dzięki kubitom
      Komputery kwantowe pozwolą rozwiązywać skomplikowane problemy z wielu dziedzin nauki i przemysłu dużo szybciej i efektywniej niż najlepsze komputery klasyczne. W ciągu kilka sekund potrafią one wykonać obliczenia, które komputerowi klasycznemu mogą zająć nawet kilka lat – tłumaczy prof. Centrum Fizyki Teoretycznej PAN w Warszawie, czyli ośrodka będącego liderem projektu TEAM-NET. A to dlatego, że w komputerach kwantowych informacje zapisywane są w kubitach (od angielskiego quantum bit). Kubit od zwykłego bitu różni się tym, że nie ma ustalonej wartości 0 lub 1, ale zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej znajduje się w stanie pośrednim, nazywanym superpozycją. Oznacza to, że jednocześnie znajduje się i w stanie 0, i w stanie 1. A zatem, kubit niesie w sobie znacznie więcej informacji niż zero-jedynkowy bit. Na dodatek, kubity mogą być ze sobą splątane: dwa kubity to już cztery splątane ze sobą wartości, trzy kubity – osiem wartości, i tak dalej. Stanów pojedynczych kubitów  nie można traktować jako niezależnych, bo zmiana jednego wpływa na wszystkie pozostałe. Właśnie dzięki splątaniu kubitów, komputer kwantowy może wykonywać obliczenia na wszystkich wartościach jednocześnie, co daje mu potężną moc obliczeniową. Choć sprawa komplikuje się z uwagi na konieczność „odczytania” wyników takiego obliczenia, co nieuchronnie niszczy stan kwantowy.
      Komputer kwantowy, gdy już powstanie, pozwoli na błyskawiczne wyszukiwanie potrzebnych informacji w ogromnych ilościach danych oraz umożliwi przeprowadzanie najbardziej skomplikowanych, wielopłaszczyznowych symulacji z nieograniczoną liczbą czynników. Technologia ta z pewnością znajdzie zastosowanie w naukach o życiu, medycynie i przemyśle farmaceutycznym, gdzie posłuży do odkrywania nowych leków. Innym sektorem oczekującym na powstanie komputerów kwantowych jest bankowość i cała branża finansowa, która skorzysta m.in. na możliwości doskonałego symulowania zachowań giełdy.
      Kruchość kubitów
      W tej chwili nie możemy jednak określić, kiedy powstanie komputer kwantowy. Wciąż mierzymy się z wieloma bardzo poważnymi ograniczeniami i nie wiadomo, kiedy uda się je przezwyciężyć. Konstrukcja działającego komputera kwantowego jest niezwykle trudna choćby ze względu na nieunikniony wpływ szumu i dekoherencji układów kwantowych – podkreśla prof. Marek Kuś.
      Chodzi o to, że kubity są bardzo niestabilne i ekstremalnie wrażliwe na wpływ otoczenia. Nawet najdrobniejsze wahania temperatury, hałasu, ciśnienia czy pola magnetycznego mogą prowadzić do wybicia kubitów ze stanu współzależnych superpozycji, czyli do zjawiska określanego przez fizyków jako dekoherencja. Jeśli kubity nie utrzymują stanu superpozycji, dochodzi do błędów w obliczeniach, a im więcej kubitów połączymy, tym więcej takich błędów będzie generowanych. Obecnie kubity mogą utrzymać swój stan kwantowy tylko przez około 100 mikrosekund, zanim dojdzie do dekoherencji. Z tego powodu komputery kwantowe muszą znajdować się w specjalnie przygotowanym środowisku. Wymagają m.in. chłodzenia na poziomie temperatury bliskiej zera bezwzględnego oraz umieszczenia w wysokiej próżni, pod ciśnieniem 10 mld razy niższym niż ciśnienie atmosferyczne.
      Oznacza to, że komputery kwantowe szybko nie zagoszczą w naszych domach czy biurach. W niedalekiej przyszłości możemy się spodziewać natomiast urządzeń zbudowanych z niewielu niedoskonałych kubitów. Nasz projekt ma na celu scharakteryzowanie mocy obliczeniowej i zbadanie możliwych praktycznych zastosowań takich urządzeń. Skupiać się będziemy nie na budowie samego urządzenia, ale na przetestowaniu jego oprogramowania i scharakteryzowaniu algorytmów, które zoptymalizują jego działanie. Aby zrealizować ten cel, utworzymy sieć współpracujących ze sobą czterech grup badawczych, zajmujących się nowatorskimi aspektami obliczeń kwantowych: kwantowym uczeniem maszynowym, kontrolą złożonych układów kwantowych, kwantową korekcją błędów i problemem identyfikacji zasobów odpowiedzialnych za tzw. przyspieszenie kwantowe – precyzuje prof. Marek Kuś. W skład konsorcjum naukowego wejdą, oprócz Centrum Fizyki Teoretycznej PAN w Warszawie, także Wydział Nauk Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Instytut Informatyki Teoretycznej i Stosowanej PAN w Gliwicach.
      O programie TEAM-NET
      Program TEAM-NET Fundacji na rzecz Nauki Polskiej pozwala na sfinansowanie interdyscyplinarnych badań naukowych, realizowanych przez sieć współpracujących zespołów badawczych, kierowanych przez wybitnych, doświadczonych naukowców. Celem tego programu jest, oprócz umożliwienia prowadzenia w Polsce nowatorskich badań naukowych, także wzmocnienie ponadregionalnej współpracy pomiędzy jednostkami naukowymi oraz budowanie kompetencji dotyczących wykorzystywania dostępnej infrastruktury i usług badawczych. Zgodnie z założeniami konkursowymi, budżet każdego zgłoszonego projektu badawczego może wynosić do 3,5 mln zł na zespół na 36 miesięcy. Finansowanie może być przyznane na okres od 36 do 48 miesięcy.
      Nabór wniosków do konkursu TEAM-NET był prowadzony w październiku 2018 r., a w marcu 2019 r. Fundacja na rzecz Nauki Polskiej ogłosiła jego wyniki. Do konkursu zgłoszono 39 projektów, z których po ocenie merytorycznej 11 otrzymało dofinansowanie, na łączną kwotę ponad 201 mln zł.
      Konkurs TEAM-NET jest realizowany przez FNP ze środków UE pochodzących z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z Uniwersytetu Sztokholmskiego odkryli, że mech warnstorfia pływająca (Warnstorfia fluitans) usuwa z wody arsen. Co ważne, radzi sobie z takim zadaniem naprawdę szybko - po upływie godziny poziom arsenu jest już tak niski, że nie zagraża ludzkiemu zdrowiu.
      Warnstorfia pływająca rośnie w północnej Szwecji i potrafi zarówno absorbować, jak i adsorbować arsen z wody.
      Autorzy publikacji z pisma Environmental Pollution podkreślają, że ich odkrycie pozwala oczyszczać wodę w przyjazny środowisku sposób. Wg nich, można by np. hodować W. fluitans w ciekach wodnych z wysokim poziomem As. Zespół pracuje teraz nad specjalnym roślinnym systemem mokradłowym.
      Naukowcy przypominają, że w północnej Szwecji pierwiastek ten stwierdza się w wodzie kopalnianej. Dzieje się tak, gdyż w pewnych rejonach występuje on naturalnie w skale macierzystej. Koniec końców arsen dostaje się też do gruntu i jest wchłaniany przez rośliny.
      Nasze eksperymenty pokazują, że mech ma bardzo duże możliwości w zakresie usuwania arsenu. W zaledwie godzinę usuwa ze zbiornika wody aż 80% As - opowiada Arifin Sandhi.
      To, ile arsenu spożywamy, zależy od tego, ile jemy określonych pokarmów [w Szwecji np. warzyw korzeniowych czy liściastych, a w innych krajach - ryżu] i gdzie rośliny były uprawiane. Naszym celem jest opracowanie systemu mokradłowego, który odfiltrowywałby arsen, nim woda stanie się wodą pitną albo irygacyjną. W ten sposób nie trafi on do naszego pokarmu [organizmu] - podsumowuje Maria Greger.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      O grafenie piszemy od lat, a przed kilkunastoma miesiącami informowaliśmy o powstaniu grafanu. Teraz do rodziny dołączył trzeci jej członek - grafyn.
      Symulacje komputerowe przeprowadzone przez niemieckich uczonych wskazują na możliwość istnienia pojedynczej warstwy atomów węgla, które jednak nie muszą być ułożone w kształcie sześciokąta, a mogą przyjmować bardzo różne formy. Nowy materiał może być zatem znacznie bardziej elastyczny niż grafen.
      Jak pamiętamy, energia elektronów poruszających się w grafenie jest wprost proporcjonalna do momentu pędu. Gdy energie takich elektronów przedstawimy na trójwymiarowym wykresie otrzymamy stożek Diraca. Te unikatowe właściwości grafenu powodują, że elektrony zachowują się w nim tak, jakby nie miały masy, co pozwala im na poruszanie się z niezwykle dużą prędkością, a to może być bardzo pożądaną cechą np. w elektronice.
      Grafyn tym różni się od grafenu, który ma pojedyncze lub podwójne wiązania, iż tworzy podwójne i potrójne wiązania, a atomy węgla nie układają się heksagonalnie.
      Niemieccy uczeni, wśród nich chemik Andreas Görling z Uniwersytetu Erlangen-Nuremberg, prowadzili komputerowe symulacje trzech różnych wzorców, w jakie mogą układać się atomy węgla w grafynie i odkryli, że we wszystkich mamy do czynienia ze stożkiem Diraca. Jednak, co ważniejsze, okazało się, że jeden z badanych wzorów 6,6,12 grafyn, w którym atomy węgla charakteryzuje prostokątna symetria, przewodzi elektrony tylko w jednym kierunku. Taki materiał nie potrzebowałby domieszkowania innymi pierwiastkami, by wykazywać właściwości pożądane w elektronice.
      W przeszłości uzyskiwano już niewielkie skrawki grafynu. Teraz niemieckie badania dowiodły, że warto pracować nad tym materiałem i różnymi jego odmianami.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Podczas odbywającego się właśnie dorocznego spotkania Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego specjaliści z IBM-a poinformowali o dokonaniu trzech przełomowych kroków, dzięki którym zbudowanie komputera kwantowego stanie się możliwe jeszcze za naszego życia.
      Jednym z najważniejszych wyzwań stojących przed ekspertami zajmującymi się kwantowymi komputerami jest dekoherencja. To wywołana oddziaływaniem czynników zewnętrznych utrata właściwości kwantowych przez kubity - kwantowe bity. Koherencja wprowadza błędy do obliczeń kwantowych. Jednak jeśli udałoby się utrzymać kwantowe bity przez wystarczająco długi czas można by przeprowadzić korektę błędów.
      Eksperci z IBM-a eksperymentowali ostatnio z „trójwymiarowymi“ nadprzewodzącymi kubitami, które zostały opracowane na Yale University. Ich prace pozwoliły na dokonanie przełomu. Udało się im utrzymać stan kwantowy kubitu przez 100 mikrosekund. To 2 do 4 razy więcej niż poprzednie rekordy. A co najważniejsze, to na tyle długo by przeprowadzić korekcję błędów na kubitach 3D.
      Drugi z przełomowych kroków to powstrzymanie dekoherencji zwykłego „dwuwymiarowego“ kubitu przez 10 mikrosekund. W przypadku takich kubitów wystarczy to do przeprowadzenia korekcji błędów.
      Utrzymanie przez tak długi czas kubitu pozwoliło na dokonanie trzeciego z przełomów. Udało się bowiem przeprowadzić na dwóch kubitach operację CNOT (controlled-NOT) z dokładnością 95-98 procent. To niezwykle ważne osiągnięcie, gdyż bramka CNOT w połączeniu z prostszymi bramkami kubitowymi może być skonfigurowana do przeprowadzenia dowolnej operacji logicznej.
      Od połowy 2009 roku IBM udoskonalił wiele technik związanych z komputerami kwantowymi. Najprzeróżniejsze aspekty związane z takimi maszynami udoskonalono od 100 do 1000 razy. W sumie wszystkie te techniki są bardzo bliskie spełnienia minimalnych wymagań stawianych przed praktycznym komputerem kwantowym.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Wynikiem współpracy uczonych z Purdue University, University of New South Wales i University of Melbourne jest najmniejszy tranzystor na świecie. Urządzenie zbudowane jest z pojedynczego atomu fosforu. Tranzystor nie tyle udoskonali współczesną technologię, co pozwoli na zbudowanie zupełnie nowych urządzeń.
      To piękny przykład kontrolowania materii w skali atomowej i zbudowania dzięki temu urządzenia. Pięćdziesiąt lat temu gdy powstał pierwszy tranzystor nikt nie mógł przewidzieć, jaką rolę odegrają komputery. Teraz przeszliśmy do skali atomowej i rozwijamy nowy paradygmat, który pozwoli na zaprzęgnięcie praw mechaniki kwantowej do dokonania podobnego jak wówczas technologicznego przełomu - mówi Michelle Simmons z University of New South Wales, która kierowała pracami zespołu badawczego.
      Niedawno ta sama grupa uczonych połączyła atomy fosforu i krzem w taki sposób, że powstał nanokabel o szerokości zaledwie czterech atomów, który przewodził prąd równie dobrze, jak miedź.
      Gerhard Klimeck, który stał na czele grupy uczonych z Purdue prowadzących symulacje działania nowego tranzystora stwierdził, że jest to najmniejszy podzespół elektroniczny. Według mnie osiągnęliśmy granice działania Prawa Moore’a. Podzespołu nie można już zmniejszyć - powiedział.
      Prawo Moore’a stwierdza, że liczba tranzystorów w procesorze zwiększa się dwukrotnie w ciągu 18 miesięcy. Najnowsze układy Intela wykorzystują 2,3 miliarda tranzystorów, które znajdują się w odległości 32 nanometrów od siebie. Atom fosforu ma średnicę 0,1 nanometra. Minie jeszcze wiele lat zanim powstaną procesory budowane w takiej skali. Tym bardziej, że tranzystor zbudowany z pojedynczego atomu ma bardzo poważną wadę - działa tylko w temperaturze -196 stopni Celsjusza. Atom znajduje się w studni czy też kanale. Żeby działał jak tranzystor konieczne jest, by elektrony pozostały w tym kanale. Wraz ze wzrostem temperatury elektrony stają się bardziej ruchliwe i wychodzą poza kanał - wyjaśnia Klimeck. Jeśli ktoś opracuje technikę pozwalającą na utrzymanie elektronów w wyznaczonym obszarze, będzie można zbudować komputer działający w temperaturze pokojowej. To podstawowy warunek praktycznego wykorzystania tej technologii - dodaje.
      Pojedyncze atomy działające jak tranzystory uzyskiwano już wcześniej, jednak teraz po raz pierwszy udało się ściśle kontrolować ich budowę w skali atomowej. Unikatową rzeczą, jaką osiągnęliśmy, jest precyzyjne umieszczenie pojedynczego atomu tam, gdzie chcieliśmy - powiedział Martin Fuechsle z University of New South Wales.
      Niektórzy naukowcy przypuszczają, że jeśli uda się kontrolować elektrony w kanale, to będzie można w ten sposób kontrolować kubity, zatem powstanie komputer kwantowy.
×
×
  • Create New...