Квантовые мосты - новые квантовые излучатели могут революционировать квантовые вычисления
Исследователи из Национальной лаборатории Сандиа совместно с Гарвардским университетом разработали метод объединения квантовых компьютеров вместе в атомном масштабе. Что это значит для будущих квантовых компьютеров и их возможностей?
Подключение к квантовому компьютеру
Квантовые компьютеры часто упоминаются в сенсационных новостях, так что объявления, сделанные о них, становятся устаревшими. В то время как квантовые компьютеры обладают исключительным потенциалом для будущих вычислений, маловероятно, что они будут видеть коммерческое использование в течение десятилетия или двух.
Однако исследователи из Национальной лаборатории Сандиа, работающие с Гарвардским университетом, разработали и продемонстрировали квантовый мост, благодаря которому два небольших квантовых вычислительных устройства могут взаимодействовать друг с другом в атомном масштабе.
Краткое объяснение квантовых вычислений
В классическом вычислении данные представляются как off (0), так и on (1) в двоичных единицах, называемых битами. Этот факт приводит к созданию логических ворот, которые манипулируют этими битами для выполнения операций, начиная от математических функций и заканчивая поразрядными сравнениями. Например, микроконтроллер может сравнивать два входных контакта и включать двигатель, если входы равны. Это требует от контроллера выполнения логического И на входах и привязки результата к управлению двигателем.
Квантовые компьютеры, однако, не используют дискретные биты для представления информации. Вместо этого квантовые компьютеры полагаются на квантовую природу частицы (например, электрона, фотона или даже атома) для хранения кубита. Информация, которая хранится в кубите, зависит от ее состояния кубита, которое представлено как линейная область с вероятностями либо быть 0, либо 1. Легче думать о кубите как о трех состояниях:
- 0 - Выкл.
- 1 - Вкл.
- S - Суперпозиция
Блоховская сфера используется для представления кубита. Изображение предоставлено Glosser.ca (собственная работа) (CC BY-SA 3.0)
Одна из проблем с кубитами заключается в том, что когда они читаются напрямую, их состояние суперпозиции теряется. Другими словами, если атом находится в состоянии суперпозиции n и считывается, он изменится либо на 1, либо на 0.
Одним из способов чтения кубитов является использование квантовой запутанности, когда две частицы связаны друг с другом. Состояние одной частицы зависит от состояния другой и наоборот, поэтому, читая одну частицу, вы можете определить, в каком состоянии находится другая частица.
Квантовые излучатели и алмазы
Одной из проблем квантовых вычислений является получение двух отдельных квантовых вычислительных устройств для взаимодействия и передачи данных. Квантовые эмиттеры представляют собой атомы, которые «накачиваются» фотонами, возбуждающими их электроны. В конце концов, возбужденные электроны возвращаются в свое предыдущее энергетическое состояние и излучают фотон, когда они подвергаются этому изменению энергии. Изменение энергии представляет собой квантовую информацию, которую содержит квантовый эмиттер, который не влияет на квантовое состояние излучателя.
Итак, теперь у нас есть кубит, который может хранить квантовую информацию и читать, не теряя своего квантового состояния. Следующий вопрос - как изготовить и контролировать отдельные кубиты.
Исследователи из Сандии совместно с Гарвардом разработали метод создания кубита таким образом, который никогда не видел, перед которым проявляются захватывающие квантовые свойства.
Чтобы кубит был надежным, он не должен подвергаться воздействию внешних воздействий, таких как заряд, поля и силы. Кубит также должен сохранять свою квантовую суперпозицию при чтении, чтобы информация не терялась во время работы. Наконец, с точки зрения производства, создание кубита должно быть возможным в контролируемых ситуациях (вместо того, чтобы полагаться на случайность).
Прочитайте больше
- Квантовая физика - теория твердого тела
- IBM предоставляет доступ к публичному облаку для нового квантового компьютера 5-Qubit
- Основы квантовых вычислений
Чтобы решить эти проблемы, исследователи используют пучок частиц-ионов для замены атомов углерода в алмазе отдельными атомами кремния. Когда атом углерода в алмазе заменяется одним атомом кремния, два соседних атома углерода начинают отходить от валентности и в конечном итоге уходить. Этот промежуток позволяет кремнию по существу плавать, как если бы он находился в газе, а также буферизировался от рассеянного электрического тока благодаря непроводящим соседним вакансиям. Поскольку кремний находится значительно ниже поверхности алмаза, атом кремния удерживается в определенном месте и к нему легко доступны внешние фотоны.
Представление отверстий в алмазе с кремниевым эмиттером. Изображение предоставлено Sandia National Laboratories
Преимущество ионного пучка заключается в том, что обычно квантовые излучатели (кремний в алмазе) находятся в форме случайных дефектов, которые должны были найти ученые. Мало того, что такие эмитенты трудно найти, но не все работают должным образом. Метод ионного луча дает тысячи надежных квантовых бит, которые все дают рабочие устройства.
Когда эти атомы кремния накачиваются фотонами, испускаемые фотоны из атомов кремния содержат квантовую информацию по их частоте, поляризации и интенсивности.
Будущее квантовых компьютеров
Исследователи, стоящие за эмиттерами кремния, считают, что квантовые компьютеры в будущем не состоят из мощных квантовых устройств, а многие простые квантовые устройства работают параллельно. Такое устройство может быть лучшим решением для текущего увеличения спроса на электроэнергию со стороны компьютеров, особенно при создании больших генераторных квантовых компьютеров с квантовым числом.
Такое использование параллелизма не вызывает удивления при рассмотрении современных процессоров. В прошлом (Intel 4004) процессоры становились более мощными, поскольку у них было больше инструкций и возможность их вычислять быстрее, чем их предшественник.
Но теперь скорость процессора снизилась и, по существу, больше не увеличивается (с верхним пределом около 5 ГГц), но вычисление все еще становится более мощным. Это связано с использованием параллельной обработки на современных компьютерах, где разные процессоры одновременно обрабатывают разные задачи. Если большие многоквантовые квантовые компьютеры слишком сложно производить по масштабу с использованием современных технологий, то создание более простых устройств, но объединение многих из них вместе может быть лучшей альтернативой.
В любом случае, нет никаких сомнений в том, что эти квантовые излучатели могут быть ключом к будущим квантовым вычислительным устройствам.