Хабрахабр

О демонах и телепортации: две технологии, которые приближают «квантовое будущее»

Расскажем о технологиях, которые могут поспособствовать широкому распространению квантовых машин, квантовом эквиваленте демона Максвелла и телепортации квантового вентиля.


/ фото Wikimedia PD

Кратко о парадоксе Максвелла

Демон Максвелла — вымышленное существо, которое в XIX веке придумал физик Джеймс Клерк Максвелл, чтобы описать парадокс второго закона термодинамики.

Берется емкость и делится перегородкой на две половины. Максвелл предложил следующий мысленный эксперимент. Эти молекулы перемешаны и перемещаются с разными скоростями. Затем ее заполняют условно «холодными» и «горячими» молекулами газа.

Это устройство и получило название демон Максвелла. В перегородке сделано отверстие с устройством, которое дает проходить горячим молекулам слева направо, а холодным — справа налево. В итоге одна половина емкости нагревается, а вторая охлаждается без каких-либо затрат энергии.

Это нарушает второй закон термодинамики, согласно которому энтропия изолированной системы не может уменьшаться, а лишь возрастать или оставаться прежней. Парадокс в том, что после того как молекулы «займут свои места» в емкости, энтропия системы оказывается меньше, чем в своем изначальном состоянии.

Но потом было доказано, что демон тоже тратит энергию на сортировку молекул. Сперва физики решили, что демона Максвелла можно отождествить с вечным двигателем, так как он берет энергию «из ниоткуда». Парадокс разрешил Лео Силард в 1929 году. Значит, энергия возникает из работы демона, и законы термодинамики не нарушаются.

Ряду исследователей даже удалось добиться определённых успехов. Реализовать концепцию демона Максвелла на практике стараются давно. В ней использовались шарики из полистирола (которые представляли собой молекулы в оригинальной системе), плавающие по кругу в буферном растворе. Например, в 2010 году японские исследователи разработали электромеханическую модель двигателя Силларда, который считается разновидностью демона Максвелла. Роль демона играло электрическое напряжение, подталкивающее легкие шарики менять свое направление движения.

Однако воплотить концепцию в жизнь со значительным количеством атомов или молекул ученым не удавалось. Три года назад демона Максвелла удалось реализовать в виде одноэлектронного транзистора со сверхпроводящими алюминиевыми выводами. До недавнего времени.

Квантовый демон: в чем суть

В сентябре этого года исследователям из Университета штата Пенсильвания удалось провести масштабный квантовый эквивалент мысленного эксперимента. Они особым образом сгруппировали разрозненный массив из большого количества атомов цезия, уменьшив энтропию системы.

Она позволяет захватить атомы и охладить их до ультранизких температур (лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля). Для этого команда специалистов использовала так называемую оптическую ловушку с тремя парами лазеров.

Изначально эти атомы находились в состоянии с орбитальным квантовым числом (l) равным 4 и магнитным квантовым числом (m) равным −4 и распределялись по решетке случайным образом. В рамках эксперимента исследователи использовали лазеры с длиной волны в 839 нм, чтобы сформировать оптическую 3D-решетку размером 5х5х5 и поместить в нее атомы цезия. Однако по окончании эксперимента они формировали подрешетки размером 5x5x2 или 4x4x3, что уменьшало энтропию системы более чем в два раза.

В результате атомы, находящиеся в разных состояниях, начинали «отталкиваться» и перемещаться по решетке. Чтобы перемещать атом по решетке, ученые меняли его состояние (изменяя его квантовые числа) и переключали поляризацию одного из световых пучков. Когда нужно было «зафиксировать» положение атома, его квантовые числа возвращались в исходное состояние.

Чем полезна разработка

Уменьшение энтропии — многообещающая опция для создания кубитов. Использовать нейтральные атомы для квантовых вычислений — сложная задача. У них нет электрического заряда, поэтому их трудно заставить перейти в состояние квантовой запутанности, при котором состояния объектов зависят друг от друга.

А квантовые вентили считаются базовыми логическими элементами квантового компьютера. Уменьшение энтропии в оптической ловушке атомов позволяет строить квантовые вентили с меньшим количеством ошибок. Потому предложенная система позволяет в перспективе повысить вычислительную эффективность квантовой машины.

Другая технология — телепортация квантового вентиля

Чтобы квантовые машины получили широкое распространение, необходимо организовать слаженную работу сотен кубитов. Один из способов этого добиться — сделать систему модульной: объединить небольшие квантовые системы в одну большую.


/ фото Rachel Johnson CC

С этой целью команда исследователей из Йельского университета разработала модульную квантовую архитектуру, где квантовые вентили телепортируются (передают свое состояние на расстоянии) в реальном времени. Для этого нужно дать квантовым вентилям возможность межмодульного взаимодействия.

С учетом кодов корректировки ошибок надёжность метода составила 79%. Исследователи телепортировали логический вентиль CNOT (контролируемое отрицание), который реализует операцию, похожую на «сложение по модулю 2».

В перспективе, эта технология позволит организовывать модульные квантовые компьютеры, которые будет просто масштабировать.

Есть мнение, что это произойдёт в ближайшие десять лет. Все это вкупе с достижением исследователей из Университета Пенсильвании приближает момент широкого распространения квантовых машин.

P.S. Дополнительные материалы из Первого блога о корпоративном IaaS:
P.P.S. Статьи по теме из нашего блога на Хабре:

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть