Kwantowy konwerter sygnału
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z University of Washington zauważyli, że są w stanie wykryć „atomowy oddech” czyli wibracje mechaniczne pomiędzy dwiema warstwami atomów. Dokonali tego obserwując światło emitowane przez atomy wzbudzone laserem. Odkryte zjawisko można wykorzystać do zakodowania i przesłania informacji kwantowej. Uczeni zbudowali urządzenie, które może stać się elementem składowym przyszłych technologii kwantowych.
To nowa platforma w skali atomowej, która wykorzystuje optomechanikę, szereg zjawisk w których ruch światła i ruch mechaniczny są ze sobą nierozerwalnie powiązane. Mamy tutaj efekty kwantowe, które możemy wykorzystać do kontrolowania pojedynczego fotonu przemieszczającego się przez zintegrowane obwody optyczne, mówi profesor Mo Li, który stał na czele grupy badawczej.
Ostatnie badania bazowały na wcześniejszych pracach związanych z ekscytonami. To kwazicząstki w których można zakodować informację kwantową, a następnie przesłać ją w postaci fotonu, którego właściwości kwantowe (jak polaryzacja czy długość fali) pełnią rolę kubitu. A jako że kubit ten jest niesiony przez foton, informacja przemieszcza się z prędkością światła. Fotony są naturalnym wyborem jako nośnik informacji kwantowej, gdyż potrafimy przesyłać je za pomocą światłowodów szybko na duże odległości, nie tracą przy tym zbyt wielu informacji, dodaje doktorantka Adina Ripin.
Naukowcy pracowali w ekscytonami chcąc stworzyć urządzenie emitujące pojedyncze fotony. Obecnie w tym celu używa się atomowych macierzy, takich jak np. znajdujące się w diamentach. Jednak w macierzach takich występują naturalne defekty, które zaburzają pracę tego typu urządzeń. Naukowcy z Uniwersity of Washington chcieli precyzyjnie kontrolować miejsce, z którego będzie dochodziło do emisji fotonu.
Wykorzystali w tym celu nałożone na jednoatomowe warstwy diselenku wolframu. Dwie takie warstwy nałożyli na podłoże, na którym znajdowały się setki kolumienek o szerokości 200 nanometrów każda. Diselenek wolframu przykrył te kolumienki, a ich obecność pod spodem doprowadziła do pojawienia się niewielkich naprężeń w materiale. W wyniku naprężeń znajdujących się w miejscu każdej z kolumienek powstała kropka kwantowa. I to właśnie te kropki są miejscem, w którym dochodzi do emisji. Dzięki precyzyjnemu impulsowi laserowemu naukowcy byli w stanie wybić elektron, tworząc w ten sposób ekscytony. Każdy z ekscytonów składał się z ujemnie naładowanego elektronu z jednej warstwy diselenku wolframu i dodatnio naładowanej dziury z drugiej warstwy. Po chwili elektron wracał w miejsce, w którym przed chwilą się znajdował, a ekscyton emitował foton z zakodowaną informacją kwantową.
Okazało się jednak, że poza fotonami i ekscytonami jest coś jeszcze. Powstawały fonony, kwazicząstki będące produktem wibracji atomowych.
W ten sposób po raz pierwszy zaobserwowano fonony w emiterze pojedynczych fotonów w dwuwymiarowym systemie atomowym. Bliższe analizy wykazały, że każdy foton emitowany w ekscytonu był powiązany z jednym lub więcej fononami. Naukowcy postanowili więc wykorzystać to zjawisko. Okazało się, że za pomocą napięcia elektrycznego mogą wpływać na energię interakcji pomiędzy fotonami i fononami. Zmiany te są mierzalne i można je kontrolować.
To fascynujące, że możemy tutaj obserwować nowy typ hybrydowej platformy kwantowej. Badając interakcję pomiędzy fononami a kwantowymi emiterami, odkryliśmy zupełnie nową rzeczywistość i nowe możliwości kontrolowania i manipulowania stanami kwantowymi. To może prowadzić do kolejnych odkryć w przyszłości, dodaje Ruoming Peng, jeden z autorów badań.
W najbliższym czasie naukowcy chcą stworzyć falowody, za pomocą których będą przechwytywali wygenerowane fotony i kierowali je w wybrane miejsca. Mają tez zamiar skalować swój system, by jednocześnie kontrolować wiele emiterów oraz fonony. W ten sposób poszczególne emitery będą mogły wymieniać informacje, a to będzie stanowiło podstawę do zbudowania kwantowego obwodu. Naszym ostatecznym celem jest budowa zintegrowanego systemu kwantowych emiterów, które mogą wykorzystywać pojedyncze fotony przesyłane za pomocą przewodów optycznych oraz fonony i używać ich do kwantowych obliczeń, wyjaśnia Li.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
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 -
przez KopalniaWiedzy.pl
Zwykle przyjmowano, że liczby zespolone, czyli zawierające składnik z liczbą urojoną i (i do kwadratu daje minus jeden) są wyłącznie matematycznym trikiem. Polsko-chińsko-kanadyjski zespół naukowców udowodnił jednak, że urojoną część mechaniki kwantowej można zaobserwować w akcji w rzeczywistym świecie – informuje Centrum Nowych Technologii UW.
Nasze intuicyjne wyobrażenia dotyczące zdolności liczb do opisu świata fizycznego wymagają istotnego przebudowania. Do tej pory wydawało się, że związek z mierzalnymi wielkościami fizycznymi mają wyłącznie liczby rzeczywiste. Jednak udało się znaleźć stany kwantowe splątanych fotonów, których nie da się rozróżnić bez sięgania po liczby zespolone. Co więcej, badacze przeprowadzili także eksperyment potwierdzający znaczenie liczb zespolonych dla mechaniki kwantowej
Badania prowadził zespół dr. Alexandra Streltsova z Centrum Optycznych Technologii Kwantowych Uniwersytetu Warszawskiego (QOT) z udziałem naukowców z University of Science and Technology of China (USTC) w Hefei i University of Calgary (UCalgary). . Artykuły opisujące teorię i pomiary ukazały się w czasopismach Physical Review Letters i Physical Review A.
W fizyce liczby zespolone uważano za twory o czysto matematycznej naturze. Co prawda w równaniach mechaniki kwantowej pełnią rolę wręcz podstawową, traktowano je jednak po prostu jako narzędzie, coś, co fizykom ułatwia rachunki. My na drodze teoretycznej i doświadczalnej dowiedliśmy, że są takie stany kwantowe, które można rozróżnić wyłącznie wtedy, gdy obliczenia prowadzi się z nieodzownym udziałem liczb zespolonych – komentuje dr Streltsov.
Liczby zespolone są zbudowane z dwóch składników, rzeczywistego oraz urojonego. Mają postać a + bi, gdzie liczby a oraz b są rzeczywiste. Za specyficzne cechy liczb zespolonych odpowiada składnik bi. Kluczową rolę odkrywa tu liczba urojona i. Liczba i to pierwiastek kwadratowy z -1 (a więc gdyby podnieść ją do kwadratu, uzyskamy minus jeden).
W fizycznym świecie trudno wyobrazić sobie coś, co można byłoby bezpośrednio związać z liczbą i. Na stole mogą leżeć 2 czy 3 jabłka, jest to naturalne. Gdy jedno jabłko zabierzemy, możemy mówić o fizycznym braku i opisać go ujemną liczbą całkowitą -1. Jabłko możemy przekroić na dwie czy trzy części, otrzymując fizyczne odpowiedniki liczb wymiernych 1/2 czy 1/3. Gdyby stół był idealnym kwadratem, jego przekątna byłaby (niewymierny) pierwiastek kwadratowy z liczby 2 dłuższa od boku. Jednocześnie mimo najszczerszych chęci nie da się na stole położyć jabłek w liczbie i.
Zaskakująca kariera liczb zespolonych w fizyce ma związek z faktem, że wszelkiego typu oscylacje dają się opisać za ich pomocą znacznie wygodniej niż z użyciem popularnych funkcji trygonometrycznych. Obliczenia prowadzi się więc z liczbami zespolonymi, po czym na koniec bierze się pod uwagę tylko występujące w nich liczby rzeczywiste.
Na tle innych teorii fizycznych mechanika kwantowa jest szczególna, ponieważ musi opisywać obiekty, które w jednych warunkach potrafią się zachowywać jak cząstki, w innych jak fale. Podstawowe równanie tej teorii, przyjmowane jako postulat, to równanie Schrödingera. Opisuje ono zmiany w czasie pewnej funkcji, nazywanej funkcją falową, która ma związek z rozkładem prawdopodobieństwa znalezienia układu w takim a nie innym stanie. Jednak tuż obok funkcji falowej w równaniu Schrödingera jawnie występuje liczba urojona i.
Od dekad trwała debata, czy za pomocą samych liczb rzeczywistych można stworzyć spójną i kompletną mechanikę kwantową. Postanowiliśmy zatem znaleźć stany kwantowe, które można byłoby od siebie rozróżnić tylko z użyciem liczb zespolonych. Rozstrzygającym momentem było doświadczenie, gdzie wytworzyliśmy te stany i fizycznie sprawdziliśmy, czy są one rozróżnialne, czy też nie – mówi dr Streltsov, którego badania były finansowane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.
Eksperyment weryfikujący rolę liczb zespolonych w mechanice kwantowej można przedstawić w formie gry Alicji i Boba z udziałem prowadzącego rozgrywkę mistrza. Za pomocą urządzenia z laserami i kryształami mistrz gry wiąże dwa fotony w jeden z dwóch stanów kwantowych, których rozróżnienie bezwzględnie wymaga użycia liczb zespolonych. Następnie jeden foton wysyła do Alicji, a drugi do Boba. Każde z nich dokonuje pomiaru swojego fotonu, po czym komunikuje się z drugim w celu ustalenia istniejących korelacji.
Przypuśćmy, że wyniki pomiarów Alicji i Boba mogą przyjmować wyłącznie wartości 0 albo 1. Alicja widzi bezsensowny ciąg zer i jedynek, Bob podobnie. Jeśli jednak się skomunikują, mogą ustalić powiązania między odpowiednimi pomiarami. Jeśli mistrz gry wysłał im stan skorelowany, gdy jedno zobaczy wynik 0, drugie również. Jeśli otrzymali stan antyskorelowany, gdy Alicja zmierzy 0, u Boba będzie 1. Dzięki wzajemnym uzgodnieniom Alicja i Bob mogliby rozróżnić nasze stany, ale tylko w sytuacji, gdyby ich kwantowa natura miała charakter fundamentalnie zespolony – mówi dr Streltsov.
Do opisu teoretycznego wykorzystano podejście znane jako teoria zasobów kwantowych. Samo doświadczenie z lokalnym rozróżnianiem splątanych stanów dwufotonowych przeprowadzono w laboratorium w Hefei z użyciem technik optyki liniowej. Przygotowane przez badaczy stany kwantowe okazały się rozróżnialne, co dowodzi, że liczby zespolone są integralną, nieusuwalną częścią mechaniki kwantowej.
Osiągnięcie polsko-chińsko-kanadyjskiego zespołu badaczy ma znaczenie podstawowe, jest ono jednak tak głębokie, że może się przełożyć na nowe technologie kwantowe. W szczególności badania nad rolą liczb zespolonych w mechanice kwantowej mogą pomóc lepiej zrozumieć źródła efektywności komputerów kwantowych, jakościowo nowych maszyn liczących, zdolnych rozwiązywać niektóre problemy z szybkością nieosiągalną dla klasycznych komputerów – czytamy w komunikacie.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Od 100 lat naukowcy sprzeczają o interpretacje mechaniki kwantowej. Z jednej strony mamy interpretacje Bohra, Heisenberga i von Neumanna-Wignera, którzy uważali, że stan świadomości osoby przeprowadzającej testy wpływa na wyniki testów, z drugiej zaś strony Popper i Einstein twierdzili, że obiektywna rzeczywistość istnieje.
Kwestię tę postanowili zbadać... fińscy urzędnicy państwowi – Jussi Lindgren i Jukka Liukkonen – którzy w wolnym czasie lubią rozważać zagadnienia z zakresu mechaniki kwantowej. Panowie przyjrzeli się zasadzie nieoznaczoności, ogłoszonej przez Heisenberga w 1927 roku.
Zgodnie z tradycyjną interpretacją tej zasady, nie można jednocześnie precyzyjnie określić położenia i pędu, gdyż osoba dokonująca pomiarów zawsze wpływa na ich wynik. Jednak Lindgren i Liukkonen stwierdzili, że związek pomiędzy położeniem a pędem jest stały, a zatem rzeczywistość danego obiektu jest niezależna od osoby go badającej.
W swojej pracy panowie wykorzystali stochastyczną optymalizację dynamiczną. Z tego punktu widzenia zasada nieoznaczoności Heisenberga jest manifestacją równowagi termodynamicznej, w której korelacja pomiędzy różnymi zmiennymi nie zanika. Stochastyczna optymalizacja dynamiczna była wykorzystywana m.in. do rozwiązania takich problemów, jak wysłanie rakiety z Ziemi na Księżyc.
Uzyskane przez nas wyniki wskazują, że nie istnieje logiczny powód, dla którego wyniki miałyby być zależne od osoby przeprowadzającej pomiary. Nie istnieje nic, co sugerowałoby, że świadomość eksperymentatora zaburza wyniki czy kreuje rzeczywistość, mówi Lindgren. Interpretacja jest obiektywna i realna oraz tak prosta, jak to tylko możliwe. Lubimy jasne sytuacje i wolimy usunąć wszelki mistycyzm, dodaje Liukkonen.
Lindgren i Liukkonen to urzędnicy państwowi, a nauka to ich hobby. Obaj należeli do klubu matematycznego w liceum w Kuopio, obaj mają za sobą studia podyplomowe. Liukkonen właśnie napisał pracę doktorską na temat endoskopii ultradźwiękowej i pracuje obecnie jako inspektor w fińskim Urzędzie Bezpieczeństwa Radiologicznego i Atomowego.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Jak wiemy z teorii kwantowej, cząstki mogą jednocześnie przyjmować dwa różne stany. To superpozycja. Podręczniki mówią, że akt obserwacji czy też pomiaru stanu cząstek, prowadzi do kolapsu funkcji falowej, czyli zniszczenia superpozycji, i cząstka zajmuje tylko jedną lokalizację. Fizycy spierają się, jak do tego dochodzi. Teraz jedno z najpowszechniej przyjętych wyjaśnień, które zakłada rolę grawitacji w kolapsie, otrzymało poważny cios w postaci badań przeprowadzonych w słynnym włoskim Laboratorium Narodowym Gran Sasso.
Hipoteza o roli grawitacji bierze swoje początki w pracach dwóch węgierskich fizyków, Károlyházego Frigyesa w latach 60. i Lajosa Diósiego w latach 80. Podstawę ich teorii stanowi stwierdzenie, że pole grawitacyjne obiektu wykracza poza teorię kwantową. Gdy cząstka zostaje wprowadzona w superpozycję, jej pole grawitacyjne próbuje tego samego, lecz nie jest w stanie długo jej utrzymać. Dochodzi do kolapsu, który pociąga za sobą kolaps superpozycji cząstki. Wielkim zwolennikiem grawitacyjnego kolapsu – który rezygnuje z antropocentrycznej koncepcji obserwatora – jest wybitny matematyk Roger Penrose.
Od dawna twierdzi on, że spontaniczne załamanie superpozycji, a więc lokalizacja cząstki, ma związek z geometrią czasoprzestrzeni, zatem z grawitacją. Stwierdził on wprost, że do załamania superpozycji dochodzi, gdy mamy do czynienia z sytuacjami, które w dostatecznym stopniu różnią się geometrią czasoprzestrzeni.
Dotychczas jednak wydawało się, że nie jest możliwe przeprowadzenie badań dowodzących prawdziwości powyższej teorii. Sam Diosi, który jest jednym ze współautorów eksperymentu w Gran Sasso, mówi, że przez 30 lat był "krytykowany we własnym kraju za spekulacje na temat czegoś, czego nie można przetestować".
Najnowsze osiągnięcia nauki umożliwiły jednak to, co do niedawna było niemożliwe. Naukowcy stwierdzili, że cząstka, która podlega kolapsowi, gwałtownie zmieni pozycję, co doprowadzi do ogrzania systemu, którego jest częścią. To tak, jakby dodatkowo ją popchnąć, mówi współautor badań Sandro Donadi. Jeśli taka cząstka ma ładunek, wyemituje ona foton. Jeśli zaś będziemy mieli całą grupę cząstek w superpozycji, dojdzie do zgodnej emisji.
Grupa Diosiego, chcąc przetestować taką ideę, stworzyła detektor z dużego kryształu germanu, który miał wykrywać nadmiarową emisję promieniowania gamma oraz rentgenowskiego z jąder germanu. Kryształ został otoczony ołowianą osłoną, a eksperyment przeprowadzono w Gran Sasso, 1,4 kilometra pod powierzchnią ziemi, co miało osłonić całość od innych zakłóceń. W czasie 2 miesięcy badań detektor zarejestrował 576 fotonów. To niewiele więcej niż przewidywane dla tego eksperymentu 506 fotonów.
Tymczasem model Penrose'a przewidywał, że pojawi się 70 000 takich fotonów. Powinniśmy zarejestrować kolapsy, ale ich nie odnotowaliśmy, zauważa biorąca udział w badaniach Cătălina Curceanu z Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej w Rzymie. To zaś wskazuje, że nie dochodzi do spontanicznego kolapsu pod wpływem samej tylko grawitacji.
Jednak, jak zauważa Ivette Fuentes z University of Southampton, żeby potwierdzić uzyskane wyniki należy sztucznie stworzyć superpozycje, a nie polegać na naturalnie zachodzących procesach. Jej zespół pracuje obecnie nad stworzeniem superpozycji 100 milionów atomów sodu.
Sam Penrose pochwalił eksperyment, jednak dodał, że nie jest on wystarczający do przetestowania prawdziwości jego modelu. Uczony zauważa, że nie jest zwolennikiem teorii o gwałtownej zmianie pozycji cząstki, gdyż może to powodować, że wszechświat zyskuje lub traci energię, co narusza podstawy fizyki. Penrose dodaje, że w czasie przerwy spowodowanej pandemią udoskonalał swój model. W jego wyniku nie powstaje ciepło czy promieniowanie, dodaje.
Fizyk teoretyczny Maaneli Derakhshani z Rutgers University mówi, że nawet jeśli sama grawitacja powoduje kolaps, to cały proces jest bardziej złożony niż pierwotny model Penrose'a.
Praca Underground test of gravity-related wave function collapse opublikowana została na łamach Nature Physics.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.