Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Naukowcy opracowują najszybszą na świecie dwukubitową bramkę z dwoma atomami

ghost666 23 Sep 2022 14:17 519 5
Optex
  • Naukowcy opracowują najszybszą na świecie dwukubitową bramkę z dwoma atomami
    Rys. 1. Schemat koncepcyjny najbardziej
    dynamicznej na świecie dwukubitowej
    bramki.
    Dwa atomy uchwycone w pęsetach
    optycznych (czerwone światło) z
    odstępem około mikrometra od siebie
    są manipulowane przez ultraszybki
    impuls laserowy (niebieskie światło)
    o długości zaledwie 10 pikosekund.
    Grupa badawcza złożona z doktoranta Yeelai Chew, adiunkta Sylvaina de Léséleuc i profesora Kenji Ohmori z Instytutu Nauk Molekularnych, Narodowego Instytutu Nauk Przyrodniczych w Japonii, wykorzystuje atomy schłodzone prawie do zera absolutnego, które są uwięzione w optycznych pęsetach i umieszczone mikron od siebie, jak pokazano na rysunku 1. Manipulując atomami za pomocą specjalnego impulsu laserowego o czasie trwania 10 pikosekund, udało im się stworzyć najszybszą na świecie dwukubitową bramkę logiczną, podstawowy element niezbędny do obliczeń kwantowych. Bramka ta zwraca odpowiedź w zaledwie 6,5 nanosekundy. Oczekuje się, że ten komputer kwantowy, wykorzystujący ultraszybkie lasery do manipulowania zimnymi atomami zamkniętymi w pułapce optycznej, przełamie ograniczenia obecnie opracowywanych typów działających z wykorzystaniem nadprzewodzących, uwięzionych jonów.

    Wyniki badań grupy zostały opublikowane w internetowym wydaniu: „Nature Photonics” 8 sierpnia bieżącego roku.


    Komputery kwantowe bazujące na zimnym atomie

    Komputery kwantowe wykorzystujące zimne atomy opierają się na technikach chłodzenia i pułapkowania laserowego, które zostały nagrodzone Noblem w 1997 i 2018 roku. Metody te ułatwiają układanie macierzy zimnych atomów w dowolne kształty i umożliwiają niezależną obserwację każdego z nich. Ponieważ są one naturalnymi układami kwantowymi, mogą z łatwością przechowywać bity informacji, podstawowy element budulcowy komputera kwantowego (patrz rysunek 2). Ponadto atomy te są bardzo dobrze izolowane od otaczającego środowiska i od siebie niezależne. Czas koherencji (period, w którym utrzymuje się superpozycja kwantowa) kubitu może sięgać nawet kilku sekund. Bramka dwukubitowa (niezbędny element arytmetyczny w obliczeniach kwantowych) jest następnie wykonywana przez wzbudzenie jednego elektronu atomu, przenoszącym go na gigantyczny orbital Rydberga.

    Naukowcy opracowują najszybszą na świecie dwukubitową bramkę z dwoma atomami
    Rys. 2. Schemat bitu kwantowego z wykorzystaniem atomów rubidu.


    Dzięki tym technikom platforma ta stała się jednym z najbardziej obiecujących kandydatów na komputer kwantowy, przyciągając uwagę przemysłu, środowiska akademickiego i rządów na całym świecie. Ma ona rewolucyjny potencjał, ponieważ można ją łatwo skalować, zachowując jednocześnie wysoką spójność w porównaniu z obecnie opracowywanymi typami jednostek opartych o nadprzewodzące, uwięzione jony.

    Bramki kwantowe

    Bramki kwantowe to podstawowe elementy arytmetyczne, które składają się na obliczenia kwantowe. Odpowiadają one bramkom logicznym, takim jak AND i OR w konwencjonalnych komputerach. Istnieją również jednokubitowe, które manipulują stanem pojedynczego kubitu, oraz dwukubitowe, generujące splątanie kwantowe między dwoma kubitami. Bramka dwukubitowa jest źródłem wysokiej wydajności komputerów kwantowych i technicznie bardziej wymagająca. Najważniejsza nazywana jest: „kontrolowaną bramką Z (CZ)”, a więc operacją, która zmienia superpozycję kwantową pierwszego kubitu z 0 + 1 na 0 - 1 w zależności od stanu (0 lub 1) drugiego kubitu (patrz rysunek 3).

    Naukowcy opracowują najszybszą na świecie dwukubitową bramkę z dwoma atomami
    Rys. 3. Działanie bramki kwantowej. Gdy atom 1 jest w stanie 0, nic się nie dzieje. Gdy atom 1 jest w stanie 1, znak superpozycji atomu 2 zmienia się z dodatniego na ujemny. Ta operacja jest sercem algorytmu działającego na komputerach kwantowych.


    Dokładność (wierność) bramki jest łatwo degradowana przez szum środowiska zewnętrznego i lasera, co utrudnia rozwój komputerów kwantowych. Ponieważ skala czasowa szumu jest generalnie mniejsza niż jedna mikrosekunda, jeśli można zrealizować bramkę kwantową, która jest szybsza niż 1 µs, uda się uniknąć degradacji dokładności obliczeń z jego powodu. Co znacznie przybliży nas do realizacji praktycznego komputera kwantowego. Dlatego od 20 lat wszystkie doświadczenia nad takowym sprzętem zmierzają w kierunku bardziej dynamicznych bramek. Jednostka tego typu o czasie działania 6,5 ​​nanosekund uzyskana dzięki omawianym badaniom jest o ponad dwa rzędy wielkości szybsza od szumu, a zatem może ignorować jego skutki. Poprzedni rekord świata wynosił 15 nanosekund i został osiągnięty przez Google AI w 2020 roku z obwodami nadprzewodnikowymi.

    Eksperyment

    Doświadczenie przeprowadzono z użyciem atomów rubidu. Po pierwsze, dwa jego atomy w fazie gazowej, które zostały schłodzone do temperatury ok. 10^-5 K za pomocą wiązek laserowych, zostały ułożone w odstępach mikronów za pomocą pęsety optycznej. Naukowcy napromieniowali je następnie ultrakrótkimi impulsami laserowymi, które emitowały światło tylko przez 10^-11 sekundy. Dwa elektrony uwięzione odpowiednio w najmniejszych orbitalach (5S) dwóch sąsiednich atomów (1 i 2) zostały wybite na skutek wzbudzenia laserem na orbitale Rydberga (tutaj 43D). Interakcja między tymi gigantycznymi atomami doprowadziła dalej do okresowej wymiany kształtu orbity i energii elektronów, zachodzącej w czasie 6,5 nanosekund.

    Po jednej oscylacji, prawa fizyki kwantowej dyktują, że znak funkcji falowej jest odwracany, realizując w ten sposób dwukubitową bramkę (bramka kontrolowanego Z). Wykorzystując to zjawisko, badacze wykonali operację bramki kwantowej za pomocą kubitu, w którym stadium elektronowe 5P jest stanem: „0”, a 43D jest: „1”. Atomy 1 i 2 przygotowano odpowiednio jako kubity 1 i 2, a wymianę energii indukowano za pomocą ultrakrótkiego impulsu laserowego. Podczas jednego cyklu wymiany zasobów znak stanu superpozycji kubitu 2 był odwracany tylko wtedy, gdy kubit 1 był w stadium: „1” (por. rys. 3). Odwrócenie znaku zostało eksperymentalnie zaobserwowane przez badaczy, potwierdzając w ten sposób, że dwukubitowa bramka może działać w 6,5 ns, czyli najszybciej na świecie.

    Źródło: https://phys.org/news/2022-08-world-fastest-two-qubit-gate-atoms.html

    Cool? Ranking DIY
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    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 wrote 11278 posts with rating 9535, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Optex
  • #2
    jack63
    Level 43  
    W opisie pod obrazkiem jest:
    ghost666 wrote:
    o długości zaledwie 10 pikosekund.

    W tekście jest:
    ghost666 wrote:
    o czasie trwania 10 pikosekund

    To drugie jest poprawne. To pierwsze nie bardzo.

    Podobna sytuacja jest z mikrometrami i mikronami.
    Pasuje to poprawić.
    Artykuł bardzo ciekawy. Dzięki.
  • Optex
  • #3
    ghost666
    Translator, editor
    jack63 wrote:
    W opisie pod obrazkiem jest:
    ghost666 wrote:
    o długości zaledwie 10 pikosekund.

    W tekście jest:
    ghost666 wrote:
    o czasie trwania 10 pikosekund

    To drugie jest poprawne. To pierwsze nie bardzo.

    Podobna sytuacja jest z mikrometrami i mikronami.
    Pasuje to poprawić.
    Artykuł bardzo ciekawy. Dzięki.


    Czym się różni impuls o czasie trwania 10 ps od impulsu o długości 10 ps? Oczywiście, rozumiem, że to mowa potoczna, a taki chyba może być artykuł popularnonaukowy?
  • #4
    kamil3211
    Level 3  
    Taki komputer będzie się programować jak te obecne?. Oby tak. Oby dało się zaimplementować obecne systemy operacyjne.
  • #5
    ghost666
    Translator, editor
    kamil3211 wrote:
    Taki komputer będzie się programować jak te obecne?. Oby tak. Oby dało się zaimplementować obecne systemy operacyjne.


    Raczej na pewno nie będzie to możliwe.
  • #6
    Belialek
    Level 22  
    kamil3211 wrote:
    Taki komputer będzie się programować jak te obecne?. Oby tak. Oby dało się zaimplementować obecne systemy operacyjne.


    W obecnych układach bit ma wartość 0 lub 1, przewaga komputerów kwantowych polega na tym, że kwantowy "odpowiednik" bita (qubit) jest opisywany dwuwymiarową przestrzenią Hilberta, a więc może przyjąć wartość 1 i 0 w tym samym czasie (superpozycja), lub stan pośredni dla każdej z tych wartości. Będzie (już jest!) wymagane zupełnie nowe podejście do programowania takich układów.

    Wg mnie w przyszłości nie będzie czegoś takiego jak "komputer kwantowy" - będą zapewne układy, które będą zawierały zarówno procesory oparte o system binarny (eliminujący wady procesorów kwantowych - np. dekoherencja kwantową), jak i koprocesory kwantowe wspomagające liczenie tego, co dla układów binarnych jest nieosiągalne w danej skali czasu (np. kryptografia).