Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Splątanie kwantowe zrealizowanie w układzie scalonym

ghost666 09 Lut 2015 11:48 6171 36
  • Splątanie kwantowe zrealizowanie w układzie scalonym Magiczny pierścień hobbita Bilba potrafił splątać ludzkie serce. Inżynierowie stworzyli podobny pierścień, a raczej mikro-pierścień, który jest w stanie splątać ze sobą cząstki światła, co jest niezwykle istotne z punktu widzenia nowych technologii kwantowych.

    Splątanie jest natychmiastowym połączeniem pomiędzy dwoma cząstkami, niezależnie od dzielącej je odległości - to jeden z bardziej intrygujących i obiecujących efektów fizycznych znanych dzisiejszej nauce. Jeśli wykorzysta się je poprawnie, to zjawisko to może zrewolucjonizować zagadnienia związane z obliczeniami, komunikacją i kryptografią. Aktualnie istnieje możliwość wytwarzania splątanych par fotonów w laboratorium i w systemach opartych o wolną optykę, jednakże nie istnieje dotychczas źródło splątanych par fotonów, które można by bezproblemowo zintegrować z zwykłym układem scalonym.

    Jak donosi artykuł w czasopiśmie Optica, zespół naukowców opracował po raz pierwszy mikroukłady optyczne umożliwiające integrację układów do generacji par splątanych fotonów ze standardowymi krzemowymi układami scalonymi.

    Projekt oparty jest o nową technologię nazywaną mikrorezonatorem pierścieniowym. Tego typu rezonatory składają się z niewielkich pętli wytrawionych na powierzchni substratów krzemowych. Układy takie są w stanie zbierać fotony i następnie emitować je na zewnątrz. Odpowiednio zaprojektowany rezonator pierścieniowy jest w stanie stać się emiterem splątanych fotonów, który jednocześnie jest bardzo efektywny i niewielki. Umożliwia to integrację go z układami scalonymi.

    "Główną zaletą naszego nowego źródła, jest fakt, iż jest ono jednocześnie jasne, nieduże i wykonane z krzemu" - mówi Daniele Bajoni, naukowiec z uniwersytetu w Pawii, we Włoszech, będący jednym z współautorów wspominanego powyżej artykułu. "Średnica pierścienia rezonatora wynosi około 20 mikronów, czyli jedną dziesiąta ludzkiego włosa. Poprzednie źródła były co najmniej setki razy większe niż to, które udało nam się opracować".

    Od splątania do innowacji

    Naukowcy i inżynierowie od dawna rozumieją, jak szerokie praktyczne aplikacje może mieć zjawisko splątania kwantowego. Ta zadziwiająca manifestacja praw kwantowego świata, o której Einstein mówił, iż jest "przedziwną akcją na odległość", ma dwie istotne implikacje dla technologii.

    Po pierwsze, jeśli ktokolwiek oddziałuje na jeden z splątanych fotonów, drugi natychmiastowo zmieni swój stan, nawet jeśli znajduje się na przeciwległym końcu układu scalonego, albo nawet na przeciwległym krańcu galaktyki. Tą własność można wykorzystać, aby przyspieszyć moc obliczeniową i prędkość działania komputerów. Drugą istotną aplikacją jest fakt, że splątane fotony można, w pewnym sensie, uznać za jeden byt, co oznacza, że protokoły transmisji oparte o splątane pary fotonów są niezwykle odporne na podsłuchiwanie komunikatów.

    To, na pierwszy rzut oka, niemożliwe zachowanie, jest kluczowe dla rozwoju nowej generacji technologii, związanych z komputerami kwantowymi, przy których dzisiejsze superkomputery wyglądać będą niepozornie czy z kryptografią kwantową, umożliwiającą kodowanie i przesyłanie informacji w sposób uniemożliwiający jej podsłuchanie i dekodowanie.

    Tworzenie splątania na układzie scalonym

    Aby opisywane technologie mogły zostać zrealizowane praktycznie, konieczne jest stworzenie nowej klasy emiterów splątanych fotonów: takich, które da się bezproblemowo zintegrować z istniejącą technologią krzemową. Osiągnięcie tego celu jednakże nie jest zadaniem prostym.

    Póki co, emitery splątanych fotonów - zazwyczaj oparte o specjalnie zaprojektowane kryształy - mogą być przeskalowane do wielkości kilku milimetrów, a to nadal o kilka rzędów wielkości za dużo, aby implementować je w mikroukładach scalonych. Dodatkowo emitery te potrzebują do pracy sporej ilości mocy, która generalnie w zastosowaniach związanych z komputerami czy technologią, jest dosyć skąpym zasobem.

    Aby pokonać te wyzwania, naukowcy skupili się na rezonatorach pierścieniowych, które są nowym źródłem splątanych par fotonów. Te dobrze już znane elementy optoelektroniczne można łatwo wytrawić na powierzchni krzemowego substratu, w procesie kompatybilnym z tymi, jakie wykorzystuje się do tworzenia innych komponentów na jego powierzchni. Do "pompowania", czyli zasilania rezonatora, wykorzystuje się promień lasera, który pada na "wejściową" stronę próbki i jest sprzężony z rezonatorem, gdzie krążą fotony. Daje to im doskonałe warunki do generacji splątania.

    Gdy fotony opuszczały rezonator, naukowcy zaobserwowali, że zadziwiająco duża ich ilość wykazuje cechy charakterystyczne dla splątania kwantowego. "Nasze urządzenie jest zdolne do emisji światła o zadziwiających, kwantowych własnościach, które nie zostały jeszcze zaobserwowane w układzie scalonym" - mówi Bajoni. "Prędkość, z jaką generowane są splątane fotony jest nieporównywalna z jakimikolwiek innymi, krzemowymi źródłami scalonymi i można ją porównać jedynie do tej, uzyskiwanej z dużych kryształów pompowanych mocnymi laserami" - dodaje.

    Aplikacje i technologie przyszłości

    Naukowcy wierzą, że ich praca szczególnie przyczyni się do przekształcenia efektów kwantowych w technologię, którą można realnie wykorzystać, głównie z uwagi, iż ich układ w sposób realny demonstruje działanie takiego systemu.

    "W ciągu kilku ostatnich lat, technologia krzemowa została rozbudowana na tyle, iż możliwe jest wytworzenie układów do filtrowania i sterowania biegiem światła, głównie dla przemysłu telekomunikacyjnego" - zauważa Bajoni. "Nasz mikrorezonator pierścieniowy może być bezproblemowo zintegrowany z tymi układami, co przybliża nas do możliwości pełnego wykorzystania splątania w układzie scalonym" - dodaje. Rezultatem tego jest przyspieszenie adaptacji technologii kwantowych do konstrukcji protokołów kryptograficznych, których możliwości są nieporównywalnie większe od możliwości klasycznych protokołów szyfrowania informacji.

    Zgodnie z tym, co twierdzi Bajoni wraz ze swoimi współpracownikami, protokoły kryptografii kwantowej już istnieją i zostały nawet wstępnie przetestowane, jednakże to, czego brakuje do pełnej ich realizacji, jest to niewielki, tani i niezawodny układ, mogący generować i przesyłać splątane pary fotonów poprzez włókna światłowodów. Jak może się wydawać, opisany powyżej układ, jest odpowiedzią na ten brak i umożliwi on dalszy postęp technologii fotonicznych.

    Źródło:

    http://phys.org/news/2015-01-entanglement-chip-breakthrough-faster.html#jCp

    Fajne! Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9953 postów o ocenie 8212, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • MetalworkMetalwork
  • MetalworkMetalwork
  • #3
    Templarious
    Poziom 22  
    Podaj przykład super szybkiego łącza międzygalaktycznego - jestem zainteresowany tym.
  • #4
    Bartosz_MDF
    Poziom 13  
    A czemu by nie, stan splątany nie jest ograniczony odległością. Może być i nawet galaktyka.

    A co do tekstu Einstein nazwał to "upiornym działaniem na odległość" ;)
  • #5
    gbd.reg
    Poziom 21  
    Bartosz_MDF napisał:
    A co do tekstu Einstein nazwał to "upiornym działaniem na odległość" :wink:


    Nazywał to upiornym, bo narusza teorię względności, a ściślej to, że NIC nie może się poruszać szybciej od światła, nawet informacja.

    I nie, nie jest. Ktoś, kto pisał ten artykuł pomylił się dość znacznie:
    po 1. gdy spróbujemy zmierzyć spin cząstki, zmieniamy jej spin
    po 2. gdy mierzymy jedną z cząstek splątanych, mamy jedynie gwarancję, że druga z nich nie osiągnęła tego samego stanu co pierwsza.

    Nie daje to nam więc możliwości przesyłania informacji, ponieważ prócz pomiaru potrzebujemy też informacji o stanie 2 cząstki, aby tą informację uzyskać. Bez tego tylko wiemy, że jakaś informacja została odczytana, ale nie wiemy jaka, bo do rozszyfrowania tej informacji potrzebujemy stanu obu cząstek.
  • #6
    tomek122
    Poziom 21  
    Jakie łącze galaktyczne? Łącze będzie dopiero jak jedną część umieścisz na innej galaktyce. Umiesz tego dokonać?
  • #7
    Templarious
    Poziom 22  
    No to używać tego do powszechnej komunikacji między kontynentalnej. Albo postawić coś na księżycu, marsie... do sterowania sondy itp...

    Panowie, kosmos przestaje mieć tajemnice. Wystarczy mieć jeszcze remedium na wieczne życie! - Osobiście chciałbym badać kosmos i nie umierać.. co tam jest? Tyle pięknych zjawisk o których nie śniliśmy.
  • #8
    ptero
    Poziom 17  
    Jeśli weźmiemy taką splątaną cząstkę, która przyleci po łączu z sąsiedniej galaktyki i nie testując jej wymusimy na niej konkretny stan, spin, czy cuś. Nie znam się. Ta cząstka, która została chen daleko również zmieni swój stan... Chyba.
  • #10
    Bartosz_MDF
    Poziom 13  
    gbd.reg napisał:
    po 1. gdy spróbujemy zmierzyć spin cząstki, zmieniamy jej spin
    po 2. gdy mierzymy jedną z cząstek splątanych, mamy jedynie gwarancję, że druga z nich nie osiągnęła tego samego stanu co pierwsza.


    Nieprawda.

    Po 1. Spin jak i położenie elektronu w atomie nie jest znane, aż do momentu pomiaru. Właśnie sam akt pomiaru wymusza określenie spinu lub położenia elektronu! (Doświadczenie Younga).
    (położenie elektronu może być tylko oszacowane na podstawie rachunku prawdopodobieństwa)

    Po 2. walnę cytatem z Wkipedii.

    "Istnieje na przykład stan splątany polaryzacji dwóch fotonów, tzw. singlet, który ma tę właściwość, że jeżeli będziemy mierzyć polaryzacje obu fotonów, używając dwóch identycznie ustawionych, ale odległych od siebie polaryzatorów, to zawsze otrzymamy dwie przeciwne polaryzacje. "

    Dwie przeciwne polaryzacje, to samo tyczy się spinu elektronów. Będzie zawsze przeciwny a nie "że druga z nich nie osiągnęła tego samego stanu co pierwsza."

    Chyba, że to miałeś na myśli ;)

    EDIT:

    Polecam poszukać sobie na Youtube o stanie splątanym, lub ogólnie mechanice kwantowej, jest fajny film z Michio Kaku bodajże.
  • #11
    gbd.reg
    Poziom 21  
    Z tego co się orientuję (mogę się mylić) pomiaru spinu można dokonać tylko w 1 kierunku i możemy w ten sposób stwierdzić, czy cząstka ma spin zgodny z kierunkiem (i zwrotem?) pomiaru, czy przeciwny. Dodatkowo: pomiar cząstki wymusza zmianę jej spinu, aby kierunek spinu (ale zwrot już niekoniecznie) był zgodny z kierunkiem pomiaru.

    Stąd moje określenie, że 2 cząstka nie osiągnie tego samego spinu.

    I tu się pojawia problem: aby komunikacja mogła mieć miejsce, musimy ustalić w jakim kierunku mierzymy spin i jaki spin oznacza 0, a jaki 1. Jednak wymuszenie spinu na cząstce zrywa splątanie. Daje to nam więc możliwość tylko odczytu na obu końcach "protokołu", a zapisu dokonuje wyłącznie bóg.

    A propos ciekawych wideo na youtube o mechanice kwantowej https://www.youtube.com/watch?v=ZuvK-od647c
  • #12
    miraz890
    Poziom 12  
    nie ustalimy w jakim kierunku mierzymy spin - taka kwantowa rzeczywistość . Ale model matematyczny nam mówi ,że dzielą się na 1 , 0 , 1/2 i -1/2 . W doświadczeniu Sterna-Gerlacha coś mi się wydaje ,że arbitralnie im nie narzucisz jakie mają mieć spiny ,czy 1/2+ czy 1/2 -.
  • #13
    robertcb
    Poziom 17  
    Załóżmy że mamy 2 splątane kwantowo fotony w dwóch odległych od siebie miejscach A i B i dwóch badaczy przy nich.

    Badacz w miejscu A dokonuje pomiaru spinu "swojego" fotonu.

    Czy badacz w miejscu B po dokonaniu pomiaru spinu "swojego" fotonu, prócz faktu uzyskania spinu przeciwnego niż badacz A, będzie mógł wiedzieć że tamten już wcześniej dokonał pomiaru tegoż spinu?
  • #14
    ciotoaskaye
    Poziom 2  
    miraz890 napisał:
    W doświadczeniu Sterna-Gerlacha coś mi się wydaje ,że arbitralnie im nie narzucisz jakie mają mieć spiny ,czy 1/2+ czy 1/2 -.


    a to niby jak ustaliłeś?
  • #15
    miraz890
    Poziom 12  
    ciotoaskaye napisał:
    miraz890 napisał:
    W doświadczeniu Sterna-Gerlacha coś mi się wydaje ,że arbitralnie im nie narzucisz jakie mają mieć spiny ,czy 1/2+ czy 1/2 -.


    a to niby jak ustaliłeś?


    Jony srebra rozpływają się na dwie wiązki , a która wiązka ma spin "góra czy spin "dół " to tego nie wiadomo. Wiadomo, że moduł to 1/2 . Jak zapewne wiesz nasze współrzędne kartezjańskie , ni jak mają się do tych "współrzednych" kwantowych ,które są wyrażane dla przestrzeni Hilberta, tak samo spin to abstrakcyjne pojęcie.
  • #17
    helmud7543
    Poziom 43  
    Nie, ale jeśli wykorzystuje zjawisko superpozycji to jest potencjalnie znacznie szybszy od tradycyjnych układów.
  • #18
    Wojciech.
    Poziom 33  
    helmud7543 napisał:
    Nie, ale jeśli wykorzystuje zjawisko superpozycji to jest potencjalnie znacznie szybszy od tradycyjnych układów.

    Jak nie?
    Komputer kwantowy nie wykonuje obliczeń tak jak komputer klasyczny, więc dzięki zjawisku superpozycji podaje od razu odpowiedź z pewnym prawdopodobieństwem.

    Zależy w jakich zadaniach jest "znacznie" lepszy. W łamaniu szyfrów, przeszukiwania i symulacji komputer jest niezliczenie razy szybszy niż komputer klasyczny/.
  • #19
    helmud7543
    Poziom 43  
    Superpozycja dotyczy reprezentacji bitów, jak dobrze rozumiem, do momentu pomiaru danych, który to superpozycję burzy. Więc chodzi o zwielokrotnienie wartości (bit reprezentuje wszystkie wartości do momentu pomiaru)?
  • #20
    Wojciech.
    Poziom 33  
    helmud7543 napisał:
    Superpozycja dotyczy reprezentacji bitów, jak dobrze rozumiem, do momentu pomiaru danych, który to superpozycję burzy. Więc chodzi o zwielokrotnienie wartości (bit reprezentuje wszystkie wartości do momentu pomiaru)?


    kubit jest kwantową superpozycją 0 i 1
  • #21
    helmud7543
    Poziom 43  
    Nie wiedziałem że tak to się nazywa (fajnie brzmi :-) ). Chodzi mi o to, czy mój tok rozumowania jest dobry, czyli nazwijmy to kbajt złożony z tych kubitów niesie wielokrotnie więcej informacji i niż bajt złożony z tej samej ilości botów, bo każdy kbit w kbajcie przybiera wiele stanów naraz? Jeśli tak, to - jak dobrze rozumiem - taki komputer wykona obliczenia szybciej ale nie od razu. Czy źle to rozumiem? Bo wyżej jest informacja że natychmiast, ale z określonym prawdopodobieństwem? To jak to w końcu działa?

    EDIT> Chyba rozumiem - kolejne obliczenia będą zwiększały prawdopodobieństwo.
  • #22
    Wojciech.
    Poziom 33  
    2 bitowy komputer klasyczny musi wykonac 4 operacje czyli 00 01 10 11 i to musi sprawdzic kazda z osobna.
    2 kubitowy komputer kwantowy dzieki superpozycji wykona te 4 czynnosci w 1 czynnosci. To jest ogolnie trudne do ogarniecia a co jak wezmiemy 500 kubitowy komputer kwantowy moze przeprowadzic wiecej informacji niz jest atomow we wszechswiecie.

    Tylko to jest wszystko z pewnym pradwopodobienstwem, czym wiecej razy komputer kwantowy powtorzy czynnosc tym wieksze jest prawdopodobienstwo.
  • #23
    helmud7543
    Poziom 43  
    Wiem, że jest trudne do ogarnięcia ale moje hobby to fizyka, dlatego coś tam wiem, na pewno wiem, że wiele zjawisk jest dalekich od zdrowego rozsądku. W tym wypadku wiem co nieco na temat superpozycji, natomiast nie do końca rozumiem, jak w praktyczny sposób można zrealizować obliczenia z wykorzystaniem tego zjawiska.
  • #25
    Bartosz_MDF
    Poziom 13  
    Warto wspomnieć, że komputer kwantowy służy do rozwiązywania problemów przy użyciu Algorytmów Kwantowych. W Battlefielda 4 nie pograsz.

    No i cena, 10 mln dolarów za D-Wave (jedyny na razie potwierdzony komputer kwantowy) i potrzebna podstacja 15 kW :P
  • #26
    helmud7543
    Poziom 43  
    Domyśliłem się, że programy trzeba pisać od nowa :-) Nie pytał bym o to jak to działa, gdybym podejrzewał że można go programować "tradycyjnymi" algorytmami.
  • #27
    Wojciech.
    Poziom 33  
    Bartosz_MDF napisał:
    Warto wspomnieć, że komputer kwantowy służy do rozwiązywania problemów przy użyciu Algorytmów Kwantowych. W Battlefielda 4 nie pograsz.

    No i cena, 10 mln dolarów za D-Wave (jedyny na razie potwierdzony komputer kwantowy) i potrzebna podstacja 15 kW :P

    Pierwsze komputery też tak wyglądały, to kwestia czasu po prostu.
  • #28
    1331
    Poziom 11  
    Temat fascynujący pozostaje tylko pozazdrościć osobą które opracują
    jak w praktyczny sposób wykorzysztać te zjawiska fizyczne.
    Takie osoby zapewne będą niesamowicie cenne.
    Tylko czy wielkie korporacje nie utajnią swoich badań ?
  • #29
    Bartosz_MDF
    Poziom 13  
    Ciekawi mnie jak w ogóle wygląda "programowanie" na taką maszynę? Czy da się wykorzystać kwantową superpozycję do... nie wiem, np. generowania grafiki 3D?

    Ciekawe jest również co będzie z zabezpieczaniami opartymi na szyfrowaniu? Na jakimś portalu natknąłem się na informacje, że do tego komputer kwantowy nadaje się jak znalazł i efekty są naprawdę zaskakujące jeśli chodzi o szybkość "rozbrajania". Tu superpozycja sprawdza się idealnie.
  • #30
    Wojciech.
    Poziom 33  
    Bartosz_MDF napisał:
    Ciekawi mnie jak w ogóle wygląda "programowanie" na taką maszynę? Czy da się wykorzystać kwantową superpozycję do... nie wiem, np. generowania grafiki 3D?

    Ciekawe jest również co będzie z zabezpieczaniami opartymi na szyfrowaniu? Na jakimś portalu natknąłem się na informacje, że do tego komputer kwantowy nadaje się jak znalazł i efekty są naprawdę zaskakujące jeśli chodzi o szybkość "rozbrajania". Tu superpozycja sprawdza się idealnie.
    W erze komputerów kwantowych nie istnieje pojęcie szyfrowania i to jest najlepsze.