Главная » Хабрахабр » Квантовый компьютер: один фотон, чтобы править всеми

Квантовый компьютер: один фотон, чтобы править всеми

С течением времени и развитием технологий совершенствовались и компьютеры. История вычислительной техники, которую мы сейчас называем просто сервер или компьютер, началась много веков назад. Любой компьютер в своей основе реализует определенные законы естественных наук, таких как физика и химия. Улучшалась производительность, скорость работы и даже внешний вид. Сегодня мы будем знакомиться с исследованием, нацеленным на реализацию применения фотонов в квантовых компьютерах. Углубляясь в любую из этих наук, исследователи находят новые и новые пути совершенствования вычислительных систем. Поехали.

Теоретическая основа

Однако ничего фантастического в нем нет, по крайней мере с литературной точки зрения. Словосочетание «квантовый компьютер» уже перестало быть шокирующим, хоть и звучит как научная фантастика. Простыми словами говоря, квантовая суперпозиция это явление, когда квантовые состояния системы взаимоисключаются. Квантовый компьютер эксплуатирует квантовую суперпозицию и квантовую запутанность. Если говорить не о частицах, о чем-то «покрупнее», то можно упомянуть кота Шредингера.

Немного про кота Шредингера

Данный теоретический эксперимент был описан самим Шрёдингером довольно подробно и сложно, в какой-то степени. Упрощенный вариант звучит так:

В коробке кот и механизм. Есть стальная коробка. Данное вещество так мало, что за 1 час может распасться 1 атом (а может и не распасться). Механизм — счетчик Гейгера с очень малым количеством радиоактивного вещества. Колба разбивается, и яд убивает кота. Если это происходит, то считывающая трубка счетчика разряжается и срабатывает реле, освобождающее молоток, который висит над колбой с ядом.


Иллюстрация эксперимента

Мы не видим что происходит в коробке, мы не можем повлиять на процесс даже своими наблюдениями. Теперь пояснение. Таким образом, утрируя, можно сказать, что для нас кот в коробке находится в двух состояниях одновременно: он и жив, и мертв. Пока мы не откроем коробку, мы не знаем жив кот или мертв.

Очень интересный эксперимент, раздвигающий границы квантовой физики.

К всем вышеуказанным переменным эксперимента добавляются некие друзья лаборанта, что проводит данный эксперимент. Еще более необычным можно считать парадокс Вигнера. Первый должен сообщить второму, что кот жив или мертв. Когда он открывает коробку и узнает точное состояние кота, его товарищ, находясь в другом месте, этого состояния не знает. Таким образом, пока все во Вселенной не будут знать точного состояния бедного животного, оно будет считаться и мертвым, и живым одновременно.

Что касается квантовой запутанности, то тут состояния двух или более частиц зависят друг от друга. То есть, говоря о тех же фотонах, если изменение спина одной частицы приводит к тому, что она становится положительной, то вторая автоматически становится отрицательной, и наоборот. При этом измерив состояние первой частицы, мы мгновенно лишаем вторую частицу состояния квантовой запутанности.

Это позволяет обрабатывать информацию значительно быстрее. Оперирует квантовый компьютер не битами, а кубитами, отличающихся от первых тем, что одновременно могут находиться в двух состояниях — 0 и 1.

Фотон это «частичка света», если говорить очень утрировано. С фотонами все чуть проще. Более научное определение это элементарная частица электромагнитного излучения, способная переносить электромагнитное взаимодействие.

Обратная сторона медали

Фотоны являются отличными переносчиками квантовой информации, однако отсутствие детерминистской* взаимосвязи фотон-фотон ограничивает их применение в квантовых компьютерах и сетях.

Другими словами, это системы, где входящие данные (к примеру задачи) полностью соответствуют исходящим данным (результат решения). Детерминистские системы* это системы, процессы в которых взаимосвязаны таким образом, что можно отследить причинно-следственную последовательность.

Данное исследование возможно и не состоялось бы вовсе, если бы не недавние открытия в области взаимодействия свет-материя посредством нейтральных захваченных атомов, которые позволили использовать оптические нелинейности* в однофотонном режиме.

Наблюдать подобное можно при использовании лазеров, так как они могут генерировать луч высокой интенсивностью света.

Оптическая нелинейность на примере генерация второй оптической гармоники (second harmonic wave) Оптическая нелинейность* объясняется нелинейной реакцией вектора поляризации на вектор напряженности электрического поля световой волны.

Данная техника сопряжена с проблемами реализации устройств в компактном виде, поскольку для ее реализации требуются весьма габаритные и крайне сложные в настройке лазерные ловушки. К тому же нейтральные атомы работают с низкой пропускной способностью.

Поскольку такие системы работают исключительно в микроволновом режиме, а перевести их в оптический режим крайне проблематично. Другой вариант, который также пока отложен в долгий ящик, это системы на базе нелинейной квантовой электродинамики.

Использование нанофотонных систем, в которых фотоны взаимодействуют с нанометровыми элементами (в данном случае с квантовыми эмиттерами) является весьма привлекательным способов реализации однофотонной нелинейности в компактных твердотельных устройствах. Другие же исследователи решили копнуть еще глубже, практически буквально. Однако пока что в подобных экспериментах используются эмиттеры, представленные двухуровневой атомной системой, ограниченной компромиссом между пропускной способностью и задержкой, что делает реализацию однотонных переключателей невозможной.

Как вывод, все предыдущие исследования имели определенные положительные результаты, которые, к сожалению, были сопряжены с теми или иными проблемами реализации или же взаимодействия систем.

Основы исследования

В данном же исследовании продемонстрирован однофотонный переключатель и транзистор, реализованные посредством сопряжения твердотельного квантового кубита и нанофотонного резонатора.

Одним из основных элементов эксперимента является спиновый кубит, состоящий из единственного электрона в заряженной квантовой точке*.

Из-за крайне малого размера ее оптические и электронные свойства сильно отличаются от подобных у более крупных частиц. Квантовая точка* (или «искусственный атом») — частица полупроводника.


Изображение №1а

Эти состояния помечены так: |↑⟩ и |↓⟩. На изображении продемонстрирована структура уровня квантовой точки, включающая два основных состояния* с противоположными спинами, что формирует стабильную квантовую память.

Основное состояние* — в квантовой механике это стационарное состояние, когда уровень энергии и другие величины не изменяются, с наименьшей энергией.

Также на изображении отмечены и состояния возбуждения*, которые содержат пару электронов и одну дырку* с противоположными спинами. Обозначаются так: |↑↓,⇑⟩ и |↑↓, ⇓⟩ .

Возбуждение* — обозначает переход системы из основного состояния в состояние с более высокой энергией.

Дырка* — квазичастица, носитель положительного заряда, равного элементарному заряду, в полупроводниках.


Изображение №1b

Посредством эксплуатации эффекта Фогта* было получено спин-зависимое соединение за счет применения магнитного поля (5. Изображение 1b это снимок изготовленного нанофотонного резонатора, сделанный сканирующим электронным микроскопом. 5 Тл) по плоскости устройства.

Фогта эффект* — возникновение двойного лучепреломления электромагнитной волны во время ее распространения в твердых телах.

За счет измерений кросс-поляризованной отражательной способности удалось также определить силу соединения (g), скорость распада энергии нанофотонного резонатора (к) и декогерентного дипольного перехода (y):

  • g/2π=10.7±0.2 ГГц
  • к/2π=35.5±0.6 ГГц
  • y/2π=3.5±0.3 ГГц

При этом g>к/4 — условие, определяющее что устройство перешло в режим сильной и стабильной связи.


Изображение №1с

Как мы видим, если затворный импульс не содержит фотонов, то спин остается в положении «вниз». На изображении (сверху слева) графически продемонстрированы принципы работы однофотонного переключателя и транзистора. Как следствие спиновое состояние контролирует коэффициент отражения нанофотонного резонатора, тем самым изменяя поляризацию фотонов отраженного сигнала. Если же присутствует один фотон, то спин переходит в положение «вверх».

Теперь давайте чуть подробнее о каждом шаге. Вся последовательность импульсов показана на изображении (снизу).

  • В начале имеется квантовая точки в суперпозиции ее основного спинового состояния. Вычисляется с помощью формулы (|↑⟩ + |↓⟩)/√2. Достигается это путем применения импульса инициализации для оптической накачки спина, что переводит его в состояние «вниз».
  • Далее применяется оптический ротационный импульс, создающий спиновое вращение π/2.
  • В течение некоторого времени (τ) система свободно развивается.

    Если же затворный фотон отражается от резонатора, то он формирует относительный π-фазовый сдвиг между состояниями «вверх» и «вниз», который отражает спин вдоль оси (x) сферы Блоха*. Если это время установить как целое число + половина периода процессии спина, тогда при отсутствии затворного фотона спин будет переходить в состояние (|↑⟩ — |↓⟩)/√2, а второй ротационный импульс переведет спин обратно в состояние «вниз». Таким образом второй ротационный импульс будет переводить спин в состояние «вверх».

  • Применяется еще один ротационный импульс, идентичный первому.
  • Между этими двумя импульсами внедряется затворный импульс.


Сфера Блоха* — в квантовой механике используется как способ геометрического представления пространства состояния кубита.

  • В конце процесса поле сигнала отражается от резонатора и подвергается вращению поляризации, которое напрямую зависит от состояния спина.


Изображение №2а

На графике выше продемонстрирован коэффициент пропускания сигнального поля, проходящего через поляризатор, в виде функции (τ) при отсутствии затворного импульса.

Контрастность пропускания определяется формулой: δ = Тup — Tdown

Где Тup и Tdown — коэффициенты пропускания поля сигнала в моменты перехода спина в состояние «вверх» (up) и «вниз» (down) с применением двух ротационных импульсов, соответствующих максимальному и минимальному значению коэффициента пропускания в колебании.

24 ± 0. Константное значение δ = 0. Оно сильно отличается от идеального из-за неточного состояния спина F = 0. 01. 01 и из-за ограниченной кооперативности С = 2g2 / ky = 1. 78 ± 0. 19. 96 ± 0.


Изображение №2b

21 фотонов на 1 импульс, связанных с резонатором. График 2b демонстрирует случай, когда применяется 63-ps импульс, содержащий примерно 0. Дабы убедиться в том, что один фотон регулирует коэффициент пропускания, были проведены измерения двухфотонного совпадения между затворным и сигнальным фотонами.

Зеленые точки — измеренный коэффициент пропускания сигнала, обусловленный обнаружением отраженного затворного фотона как функции (τ).

Зеленая линия — числовое соответствие модели, отображаемой на графике .

В такой ситуации затворный фотон приводит к тому, что поляризация сигнального поля начинает вращаться и перенаправляться через поляризатор. Вертикальная линия (а) на графиках и 2b это обозначение состояния, когда спин подвергается полуцелому числу вращений вокруг сферы Блоха во время периода свободного развития.

В данном варианте наблюдается поведение обратного переключения, когда затворный фотон предотвращает вращение сигнального поля, тем самым уменьшая коэффициент пропускания. Вертикальная линия (b) на графиках и 2b это отображение второго рабочего состояния, при котором возможно выполнение операций переключения.

21 ± 0. В обоих случаях затворный импульс вызывает изменения коэффициента пропускания сигнала на 0. Чтобы считать затворный фотон идеальным, этот показатель должен быть равен 0. 02. В случае с реальным экспериментом показатели хуже ввиду использования аттенуированного (с затухающим колебанием) лазера для создания затворного импульса, который, хоть и маловероятно, но может содержать несколько фотонов. 24, как было определено в вычислениях, продемонстрированы на графике .


Изображение №2с

4 ± 0. График выше отображает коэффициент пропускания в виде функции времени задержки (τ), когда среднее значение сигнальных фотонов на 1 импульс выставлено на 4. 9 ± 1. 5 (вверху), 10. 0 ± 2. 2 (посередине), 23. 5 (снизу).

Зеленые точки — коэффициент пропускания, обусловленный обнаружением затворного фотона.

Оранжевые квадраты — коэффициент пропускания без затворного импульса.

Зеленые и оранжевые линии — числовое соответствие теоретическим моделям из графиков и 2b.

Во всех случаях отчетливо наблюдается поведение переключения.

22 ± 0. Подсчеты контраста переключения (ξ) дали следующие результаты: 0. 17 ± 0. 03, 0. 12 ± 0. 02 и 0. 02, в соответствии с каждым графиком.

Это обусловлено тем, что каждый сигнальный фотон может обратным образом воздействовать на спин через комбинационное рассеяние света (эффект Рамана*). Основная проблема, связанная с контрастом переключения, это его снижение при увеличении числа сигнальных фотонов. Это приводит к сбросу состояния внутренней квантовой памяти.

Эффект Рамана* — неупругое рассеяние оптического излучения, когда частицы сталкиваются, что приводит к изменению их состояния, формированию новых частиц, превращением в другие или рождением новых частиц.


Изображение №3

Это показатель степени самостоятельного переключения, спровоцированного сигналом без затвора. На графике синие точки показывают измеренный контраст пропускания, когда затворного импульса нет, в виде функции среднего числа фотонов в сигнальном поле. Подсчеты показали, что Navg = 27. Синими линиями обозначается численное соответствие данных экспоненциальной функции вида exp (-Ns / Navg), где Navg это среднее число сигнальных фотонов, необходимых для изменения положения спина. 3. 7 ± 8.

График 2b (синие точки) демонстрирует рост данного показателя. Еще одним важным свойством транзисторов является коэффициент передачи (G). 3 ± 0. Исследователям удалось достичь G = 3. 2 ± 3. 4 при количестве фотонов Ns = 29. 2.

Настоятельно рекомендую к ознакомлению. Более детальная информация касательно данного исследования, а также методы проведения вычислений изложены в отчете, доступном по ссылке.

Эпилог

Однако ученые утверждают, что эту проблему удастся решить. На данный момент самым большим препятствием в процессе реализации полноценного устройства на базе данного исследования является потеря фотонов. На данный момент ведется множество исследований, нацеленных на оптимизацию квантовых устройств, в основе которых будут именно фотоны. Не им, так другим ученым.

За теорией всегда следует практическая реализация. Эти исследования, в том числе и рассмотренное сегодня, накапливают теоретическую базу, подкрепленную экспериментальным путем. Но это возможно лишь при достижении критической массы знаний, которые позволят полноценно реализовать ту или иную идею.

Да, эти шаги небольшие, но их делают многие ученые по всему миру, каждый в своем направлении. Первые шаги уже сделаны. И хоть их пути разнятся, но пункт назначения этого невероятно сложного, и в то же время увлекательного пути, один.

Вам нравятся наши статьи? Спасибо, что остаётесь с нами. Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? Хотите видеть больше интересных материалов? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки? Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп.


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Полезные штуки до «штуки»: небольшая подборка с небольшими ценами

Добрый день! Очередное, отведенное нам время на Хабре, близится к завершению, и мы благодарим читателей за внимание и терпение. В финале мы «жестим» больше обычного: вот и теперь по мотивам прошлых материалов мы собрали небольшую коммерческую подборку небольших и недорогих ...

Кажется мы стали забывать как выглядит освоение космоса

Смена руководства космических агентств и предприятий, бесконечные дискуссии о полетах на астероиды, Луну или Марс, размышления о судьбе МКС, коррупционные скандалы, споры о многоразовости и перспективах частной космонавтики — это, конечно, важно. Бесконечная череда проблем отечественной космической отрасли и попытки ...