Доступное излучение фотонов может привести к квантовым вычислениям из лаборатории
Исследователи из Национального института Тиндалла в Корке создали микроструктуры в форме маленьких пирамид, которые могут создавать запутанные фотоны. Означает ли это, что квантовые компьютеры ближе, чем мы понимаем?
Канун квантовых вычислений
Квантовые компьютеры были материалом научной фантастики за последние несколько десятилетий. В последнее время квантовые компьютеры постепенно становятся более реальными, когда некоторые машины успешно решают реальные проблемы, такие как игры и алгоритмы поиска пути.
Но почему квантовые компьютеры так нужны технологическим фирмам и почему так много исследований в этой области? Silicon был невероятно лоялен к техническому миру в течение последних 50 лет, предоставляя нам контактный транзистор в 1947 году. Теперь кремний находится в центре технологий с компьютерами, планшетами, смартфонами, IoT и даже повседневными вещами. На самом деле, вы не можете ходить по городской улице, не находясь в зоне действия какой-либо сети Wi-Fi или от небольшого кремниевого устройства.
Однако кремний при всех его применениях начал достигать своего максимального потенциала, поскольку закон Мура начинает разрушаться. Было подсчитано, что в течение следующих 10-15 лет количество транзисторов больше не будет увеличиваться с ожидаемой скоростью и в конечном итоге будет выравниваться, достигнув некоторого максимального значения. Когда это произойдет, устройства не станут более мощными благодаря увеличению транзистора, и это напрямую повлияет на продвижение технологии.
Транзисторы могут быть настолько малы
Хотя существуют некоторые методы, которые можно использовать для продолжения тенденции увеличения мощности компьютера (например, использование аппаратных решений для увеличения скорости программного обеспечения и более эффективного написания кода), они могут только зайти так далеко. Другие более экзотические методы включают использование компьютеров, которые разработаны аналогично мозгам, которые могут адаптироваться к конкретным проблемам.
Тем не менее, один компьютерный дизайн особенно популярен, поскольку он может экспоненциально увеличивать вычислительную мощность. Эта вычислительная мощность приходит в виде квантовых вычислений.
Многие вводят в заблуждение, полагая, что квантовые компьютеры заменят классические вычислительные устройства (т. Е. Почти каждый компьютер, когда-либо сделанный) - это миф. Квантовые компьютеры, если они будут представлены общественности, будут работать вместе с классическими устройствами, поскольку они очень хорошо подходят для решения конкретных проблем. Например, квантовый компьютер может быть использован для решения алгоритмов шифрования гораздо быстрее, чем для классических компьютеров, но запуск программы, такой как Word или Chrome, будет лучше выполняться на Intel i7 вместо квантового компьютера D-Wave.
Вызовы квантовых вычислений
Учитывая все интересы и исследования в квантовых компьютерах, почему они в настоящее время недоступны для общественности или даже для крупных компаний и техноло- гических компаний? Проблема сводится к тому, как работают квантовые компьютеры и их требования.
Во-первых, квантовые устройства обычно требуют условий, которые просто не существуют вне лабораторий. Например, такие устройства полагаются на сверхпроводники, которые должны быть очень холодными (всего 0.02K). Во-вторых, необходимы материалы, которые выражают квантовые свойства, такие как запутывание и суперпозиция. Достижение таких материалов было достигнуто с использованием многих методов, включая захват атомов кремния в алмазе для создания квантовых эмиттеров.
Однако эти методы в настоящее время не обеспечивают возможности массового производства, в отличие от кремниевых чипов, которые могут быть сделаны в миллиардах с относительной легкостью. Одна исследовательская группа из Национального института Тиндалла разработала метод создания структур, которые могут создавать запутанные фотоны.
Наноструктурные пирамидные фотонные излучатели
Используя общие методы изготовления полупроводников и легко полученные материалы, команда создала небольшие пирамидные структуры, называемые «точками», которые могут испускать запутанные фотоны в определенном направлении. То, что делает эти исследования критически важными для квантовых компьютеров, - это способность направлять запутанные фотографии, имея возможность контролировать излучение через внешний электрический источник.
Если классические компьютеры должны взаимодействовать с квантовыми компьютерами, они должны иметь возможность общаться, поэтому необходимо, чтобы квантовая информация могла быть сгенерирована с использованием классических методов, а затем закодирована обратно в электрический ток.
Сечение светодиода Quantum dot. Изображение предоставлено Roisin Kelly, Национальным институтом Tyndall, Университетским колледжем Корк
Крошечные пирамиды изготавливаются с использованием эпитаксиального роста (рост кристаллической структуры поверх ранее существовавшего кристаллического слоя), внутри перевернутой структуры пирамиды, которая имеет узорную форму с использованием стандартной литографии на подложке GaAs 111 (кристаллографической ориентации).
Эта технология производства позволяет пирамидам изготавливаться большинством (если не всех) производителей полупроводников, что имеет решающее значение для массового производства. Он также позволяет создавать устройства на куске кремния, который также может содержать транзисторы и другие компоненты, которые приближают квантовые компьютеры к тому, чтобы быть реальностью.
Квантовые светодиоды. Изображение предоставлено Tung-Hsun Chung, Национальным институтом Tyndall, Университетским колледжем Корк
Прочитайте больше
- Будут ли квантовые компьютеры для конца битконю?
- Базовый анализ квантового процессора
- Рекордные квантовые логические ворота
Резюме
Большой шаг, который представляют эти квантовые точки, заключается в том, что они позволяют контролировать и производить частицы, которые могут быть использованы для квантовых вычислений, и могут быть легко изготовлены с использованием современных технологий. Хотя устройства сами по себе не могут обрабатывать квантовую информацию, они могут играть большую роль в будущих квантовых устройствах.
Что бы ни случилось, можно сказать, что квантовая энергия будет необходима в ближайшее время, если в ближайшем будущем будет застаиваться кремний.