Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy

Recommended Posts

Nieco ponad rok temu sensacją było splątanie - czyli teleportacja właściwości - dwóch atomów oddalonych od siebie na odległość metra i połączonych światłowodem. Teraz naukowcy z Joint Quantum Institute (JQI) oraz University of Maryland (UMD) dokonali tego samego, ale bez pośrednictwa światłowodu. Tym samym udowodnili, że możliwe jest bezprzewodowe przekazanie informacji kwantowej na odległość 1 metra. Naukowcy opracowali metodę, która w 90% przypadków umożliwia bezproblemowy przesył informacji. Twierdzą przy tym, iż odsetek ten można zwiększyć.

Christopher Monroe z JQI mówi, że pozwala ona nie tylko stworzyć sieć kwantowych układów pamięci, ale, po skojarzeniu z technikami operacji na kwantowych bitach, umożliwi przeprowadzanie kwantowych obliczeń. To właśnie jego zespół dokonał przed kilkunastoma miesiącami przewodowego splątania.

Uczeni wykorzystali, podobnie jak i wówczas, iterb. Jego jony zostały zamknięte w specjalnych pułapkach, a akademicy zidentyfikowali dwa odmienne stany energetyczne, które mogły służyć jako bity.

Początkowo dwa jony ustawiono w pozycjach wyjściowych. Następnie jon A poddano działaniu mikrofali, które ustawiły go w jednym ze stanów energetycznych. W ten sposób zapisano w nim informację. Później oba jony zostały potraktowane pikosekundowymi impulsami światła laserowego. Trwały one tak krótko, że każdy jon wyemitował tylko jeden foton. Każdy z fotonów przybierał jeden z dwóch kolorów (czerwony lub niebieski), w zależności od stanu kwantowego bitu (qubitu). Fotony były wyłapywane przez soczewki, kierowane do różnych nitek światłowodu, którymi wędrowały do zwierciadła półprzezroczystego. Jest ono skonstruowane w ten sposób, że istnieje 50-procentowa szansa, iż foton przejdzie przez zwierciadło i 50-procentowa - że się od niego odbije.

Po każdej ze stron zwierciadła umieszczono detektory, reagujące na fotony. Oba fotony, gdy docierają do zwierciadła, mogą dać cztery różne kombinacje (niebieski-niebieski, czerwony-czerwony, niebieski-czerwony i czerwony-niebieski). Istnieje jedna i tylko jedna kombinacja, która powoduje, że każdy z fotonów wpada do osobnego wykrywacza. W innych przypadkach jeden z fotonów się odbije, a drugi przejdzie przez lustro i oba trafią do tego samego wykrywacza.

Sytuacja, w której fotony trafiają do osobnych detektorów, zdarza się rzadko, tak więc konieczne jest wysyłanie tysięcy fotonów w ciągu sekundy. Gdy jednak już trafią one do osobnych detektorów, jest to sygnał, iż pomiędzy jonami iterbu doszło do kwantowego splątania. Wówczas naukowcy mierzą stan jonu A. Sam akt pomiaru zmienia jego stan, ale, ponieważ A jest splątany z B, to zmianie ulega też stan jonu B. W zależności od tego, jaki stan przybrał A, naukowcy dokładnie wiedzą, jakie właściwości powinny mieć mikrofale, by udało się odczytać informację z jonu B. Informację, która została mu przekazana przez jon A.

Jak podkreślają uczeni, w rzeczywistości informacja nigdzie nie wędruje. Ona po prostu podczas pomiaru znika z jonu A i pojawia się w jonie B.

Szczególną zaletą naszej metody jest połączenie wyjątkowych właściwości fotonów i atomów. Fotony idealnie nadają się do szybkiego przekazywania informacji na duże odległości, a atomy są dobrym medium do długotrwałego przechowywania informacji w pamięci - mówi Monroe.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Oba fotony, gdy docierają do zwierciadła, mogą dać cztery różne kombinacje (niebieski-niebieski, czerwony-czerwony, niebieski-czerwony i czerwony-niebieski). Istnieje jedna i tylko jedna kombinacja, która powoduje, że każdy z fotonów wpada do osobnego wykrywacza. W innych przypadkach jeden z fotonów się odbije, a drugi przejdzie przez lustro i oba trafią do tego samego wykrywacza.

Dlaczego tylko jedna, skoro są cztery kombinacje? Chyba, że stany czerwony-niebieski i niebieski-czerwony są nierozróżnialne z powodu 50% szansy na przepuszczenie/odbicie. Co tym samym wydaje się nie psuć zasady nieoznaczoności i nie "rozplątywać" jonów. Teraz pytanie - czy to jony są splątane czy fakt jednoczesnej emisji splątuje generowane fotony.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.
Note: Your post will require moderator approval before it will be visible.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.


  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Grupa naukowców z Uniwersytetu w Oksfordzie donosi o udanym splątaniu bakterii z fotonami. W październikowym numerze Journal of Physics ukazał się artykuł zespołu pracującego pod kierunkiem Chiary Marletto, który przeanalizował eksperyment przeprowadzony w 2016 roku przez Davida Colesa i jego kolegów z University of Sheffield.
      Podczas wspomnianego eksperymentu Coles wraz z zespołem umieścili kilkaset chlorobakterii pomiędzy dwoma lustrami i stopniowo zmniejszali odległość pomiędzy nimi tak, aż dzieliło je zaledwie kilkaset nanometrów. Odbijając białe światło pomiędzy lustrami naukowcy chcieli spowodować, by fotosyntetyczne molekuły w bakteriach weszły w interakcje z dziurą, innymi słowy, bakterie miały ciągle absorbować, emitować i ponownie absorbować odbijające się fotony. Eksperyment okazał się sukcesem. Sześć bakterii zostało w ten sposób splątanych z dziurą.
      Jednak Marletto i jej zespół twierdzą, że podczas eksperymentu zaszło coś więcej, niż jedynie połączenie bakterii z dziurą. Przeprowadzone analizy wykazały, że sygnatura energetyczna pojawiająca się podczas eksperymentu jest właściwa dla splątania molekuł wewnątrz bakterii e światłem. Wydaje się, że niektóre fotony jednocześnie trafiały w molekuły i je omijały, a to właśnie dowód na splątanie.
      Nasze modele dowodzą, że zanotowano sygnaturę splątania pomiędzy światłem a bakterią, mówi pani Marletto. Po raz pierwszy udało się dokonać splątania kwantowego w żywym organizmie.
      Istnieje jednak wiele zastrzeżeń, mogących podważać wnioski grupy Marletto. Po pierwsze i najważniejsze, dowód na splątanie zależy od tego, w jaki sposób zinterpretujemy interakcję światła z bakterią. Marletto i jej grupa zauważają, że zjawisko to można opisać też na gruncie klasycznego modelu, bez potrzeby odwoływania się do efektów kwantowych. Jednak, jak zauważają, nie można tego opisać modelem „półklasycznym”, w którym do bakterii stosujemy zasady fizyki newtonowskiej, a do fotonu fizykę kwantową To zaś wskazuje, że mieliśmy do czynienia z efektami kwantowymi dotyczącymi zarówno bakterii jak i fotonu. To trochę dowód nie wprost, ale sądzę, że wynika to z faktu, iż oni próbowali bardzo rygorystycznie podejść do tematu i nie wysuwali twierdzeń na wyrost, mówi James Wootton z IBM Zurich Research Laboratory, który nie był zaangażowany w badania.
      Z kolei Simon Gröblacher z Uniwersytetu Technologicznego w Delft zwraca uwagę na kolejne zastrzeżenie. Otóż energię bakterii i fotonu zmierzono wspólnie, nie osobno. To pewne ograniczenie, ale wydaje się, że miały tam miejsce zjawiska kwantowe. Zwykle jednak gdy chcemy dowieść splątania, musimy osobno zbadać oba systemy.
      Wiele zespołów naukowych próbuje dokonać splątania z udziałem organizmów żywych. Sam Gröblacher zaprojektował eksperyment, w którym chce umieścić niesporczaki w superpozycji. Chodzi o to, by zrozumieć nature rzeczy i sprawdzić czy efekty kwantowe są wykorzystywane przez życie. W końcu u swoich podstaw wszystko jest kwantem, wyjaśnia współpracownik Marletto, Tristan Farrow.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Zanim kwantowe systemy komunikacyjne i kryptograficzne staną się codziennością, naukowcy będą musieli pokonać wiele problemów. Jednym z nich jest stworzenie układów pamięci zdolnych do bezpiecznego przechowywania kwantowych informacji przenoszonych za pomocą światła.
      Badacze z Uniwersytetu w Genewie oraz francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych (CNRS) odkryli, że iterb może przechowywać i chronić kwantowe informacje nawet podczas pracy z dużą częstotliwością. To czyni ten materiał idealnym kandydatem do produkcji układów pamięci dla przyszłych długodystansowych sieci kwantowych.
      Obecnie istnieją sieci przekazujące informacje kwantowe na odległość setek kilometrów, jednak brak wzmacniaczy uniemożliwia budowę bardziej rozległych sieci kwantowych.
      Jako, że bardzo trudno jest skopiować i wzmocnić sygnał kwantowy, naukowcy szukają odpowiedniego materiału, który pozwoli na zbudowanie kwantowych układów pamięci zdolnych do przechwycenia i synchronizowania fotonów tak, by można było przekazywać je coraz dalej. Trudność polega na znalezieniu materiału zdolnego do odizolowania informacji kwantowej od zewnętrznych zakłóceń tak, byśmy mogli ją przez około sekundę przechować i zsynchronizować fotony, wyjaśnia Mikael Afzelius z Uniwersytetu w Genewie. Foton podróżuje z prędkością około 300 000 kilometrów na sekundę, więc poszukiwany materiał musi pracować z dużymi częstotliwościami.
      W laboratoriach istnieją już kwantowe układy pamięci. Niektóre z nich wykorzystują metale ziem rzadkich, takie jak europ czy prazeodym. Jednak układy te nie pracują wystarczająco szybko. Zwróciliśmy więc uwagę na iterb, który był dotychczas rzadko badany w tym kontekście, mówi profesor Nicolas Gisin.
      Okazało się, że po poddaniu działaniu dokładnie dobranych pól magnetycznych iterb wchodzi w stan, w którym zostaje odcięty od zewnętrznych zakłóceń, dzięki czemu może przechwycić fotony bez ryzyka ich utraty. Odnaleźliśmy ten „magiczny punkt” testując różne częstotliwości i kierunki pól magnetycznych. Gdy zostaje on osiągnięty czas koherencji atomów iterbu wydłuża się 1000-krotnie, a wszystko przy wysokiej częstotliwości pracy, wyjaśnia Alexey Tiranov.
      Teraz naukowcy pracują nad prototypowym iterbowym układem pamięci.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Badacze z amerykańskiego Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) poinformowali o stworzeniu pierwszego ogniwa słonecznego, którego zewnętrzna wydajność kwantowa wynosi ponad 100%. Dla fotoprądu wartość zewnętrznej wydajności kwantowej - podawaną w procentach - wylicza się na podstawie liczby elektronów przepływających przez obwód w ciągu sekundy podzielonej przez liczbę fotonów z określonej długości fali, wpadających w ciągu sekundy do ogniwa słonecznego. Dotychczas nie istniały ogniwa, których wydajność w jakimkolwiek zakresie fali przekraczałaby 100%. Uczonym z NREL udało się osiągnąć szczytową wydajność kwantową rzędu 114%. W przyszłości może to pozwolić na zbudowanie ogniw słonecznych, z których energia będzie równie tania, lub tańsza, od energii uzyskiwanej z paliw kopalnych czy energii jądrowej.
      Mechanizm uzyskania wydajności większej niż 100% bazuje na procesie zwanym Multiple Exciton Generation (MEG), podczas którego pojedynczy foton o odpowiednio wysokiej energii tworzy więcej niż jedną parę elektron-dziura.
      W roku 2001 pracujący w NREL Arthur J. Nozik przewidział, że MEG będzie lepiej działało w półprzewodnikowych kropkach kwantowych niż w zwykłych półprzewodnikach. Pięć lat później w pracy opublikowanej wraz z Markiem Hanną Nozik stwierdził, że kropki kwantowe użyte w ogniwach słonecznych mogą zwiększyć ich wydajność o około 35% w porównaniu z innymi nowoczesnymi rozwiązaniami. Ogniwa bazujące na kropkach kwantowych nazywane się ogniwami trzeciej (lub kolejnej) generacji. Obecnie buduje się ogniwa pierwszej i drugiej generacji.
      Zjawisko MEG, zwane też Carrier Multiplication (CM), zostało po raz pierwszy zaprezentowane w Los Alamos National Laboratory w 2004 roku. Od tamtej chwili wiele innych ośrodków badawczych potwierdziło jego występowanie w różnych półprzewodnikach. Teraz NREL zaprezentował MEG o wartości większej niż 100%. Badań dokonano przy niskiej intensywności symulowanego światła słonecznego, a mimo to eksperymentalne ogniwo słoneczne osiągnęło wydajność konwersji energii rzędu 4,5%. To bardzo dobry wynik, biorąc pod uwagę fakt, że ogniowo nie było optymalizowane pod kątem wydajności.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na University of Bristol powstał fotoniczny układ scalony, który pozwala na tworzenie i manipulowanie stanem splątanym i stanem mieszanym. Stan splatany, zachodzący pomiędzy dwoma niepołączonymi ze sobą cząsteczkami, umożliwi komputerowi kwantowemu wykonywanie obliczeń. Uczeni z Bristolu jako pierwsi pokazali, że stan splątany można uzyskać, manipulować nim i  mierzyć na kawałku krzemu.
      Aby zbudować kwantowy komputer musimy nie tylko umieć kontrolować złożone zjawiska takie jak splątanie czy stan mieszany, ale musimy być w stanie dokonać tego w układzie scalonym - mówi profesor Jeremy O'Brien, dyrektor Centre for Quantum Photonics. Nasze urządzenie to umożliwia i wierzymy, że stanowi ono ważny krok na drodze do stworzenia optycznego komputera kwantowego - dodaje.
      Układ zbudowany jest z sieci kanałów, w których dokonywane są odpowiednie manipulacje fotonami. Do kości dołączonych jest osiem elektrod, których konfigurację można na bieżąco zmieniać. Dzięki tym elektrodom pary fotonów są splątywane we wszelkie możliwe sposoby i dokonywane są na nich operacje. Podobnie manipuluje się stanem mieszanym pojedynczego fotonu.
      Chip z Bristolu jest mniej więcej dziesięciokrotnie bardziej złożony, niż wcześniej budowane układy do manipulacji stanami kwantowymi.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Polarytony, kwazicząsteczki powstałe wskutek silnego sprzężenia fotonów i ekscytonów, wykazują jeszcze silniejsze sprzężenie, gdy trafiają do półprzewodnikowych struktur o wielkościach liczonych w nanometrach. To ważne odkrycie na polu fotoniki, dzięki której mogą powstać szybsze i mniejsze układy scalone, wykorzystujące do obliczeń i przesyłania danych światło w miejsce elektronów.
      Ekscyton to połączenie elektronu, który ma ładunek ujemny, z dziurą o ładunku dodatnim. Światło oscyluje w polu elektromagnetycznym, zatem może łączyć się z ekscytonami. Gdy ich częstotliwości są zgodne, ich oscylacje wzmacniają się - wyjaśnia profesor Ritesh Agarwal z University of Pennsylvania.
      Silne sprzężenie światła z materią to jedno z podstawowych zjawisk, na których opiera się fotonika. Dotychczas jednak przypuszczano, że siła ta zależy od półprzewodnika, w których znajdują się polarytony i jest w nim niezmienna. Tymczasem zespól Agarwala wykazał, że dzięki odpowiedniemu procesowi produkcyjnemu półprzewodnika można zmieniać siłę sprzężenia.
      Do wielkości mniej więcej mikrometra siła sprzężeń w półprzewodniku jest stała. Jeśli jednak zejdzie się poniżej 500 nanometrów to, jak wykazaliśmy, siła ta dramatycznie rośnie - mówi Agarwal.
      Już wcześniej próbowano tworzyć w półprzewodnikach tak małe polarytonowe wnęki, jednak chemiczne wytrawianie używane przy produkcji tego typu struktur niszczyło powierzchnię półprzewodników, a powstałe w ten sposób niedoskonałości więziły ekscytony czyniąc je bezużytecznymi.
      Nasze nanokable z siarczku kadmu samodzielnie układają się w pożądane struktury, nie stosujemy chemicznego wytrawiania. Mimo to jakość powierzchni jest wciąż czynnikiem decydującym, dlatego też opracowaliśmy nową technikę pasywacji powierzchni. Hodujemy na powierzchni nanokabli powłokę z tlenku krzemu, co znacznie poprawia ich właściwości optyczne - wyjaśnia uczony. Taka powłoka wypełnia niedoskonałości na powierzchni nanokabli, zapobiegając uwięźnięciu w nich ekscytonów.
      Uczeni opracowali też narzędzia i techniki służące do pomiaru siły sprzężenia światła z materią. Im silniejsze jest to sprzężenie, tym lepiej działają fotoniczne przełączniki. Tranzystory elektryczne działają dzięki temu, że elektrony wchodzą ze sobą w interakcje. Fotony tego nie robią. Aby takie przełączniki działały konieczne jest połączenie właściwości fotonów z materiałem, w którym się znajdują - dodaje Agarawal.
×
×
  • Create New...