Kwantowe obliczenia przy użyciu mikrofal

Artykuły
Brak komentarzy
Drukuj

Dwie niezależne grupy fizyków dokonały przełomowego odkrycia w sterowaniu komputerem kwantowym opartym na pułapkach jonowych. Kontrolowanie qubitów (bitów kwantowych) odbywało się z użyciem źródeł promieniowania mikrofalowego. Odkrycie to może doprowadzić do praktycznej realizacji komputerów kwantowych składających się z dużej liczby qubitów zintegrowanych na pojedynczym chipie.

Do najbardziej satysfakcjonujących kwantowych układów obliczeniowych możemy zaliczyć pułapkę jonową, w której to wszelkie informacje kodowane są przy użyciu spinu elektronów w jonach uwięzionych w zewnętrznym polu elektrycznym. W układach tych, spiny elektronów wielu jonów mogą znajdować się w jednakowym stanie kwantowym. W takim „splątanym” stanie, nie posiadającym odpowiednika w fizyce klasycznej, korelacje pomiędzy jonami mogą być wykorzystane do przeprowadzania pewnych operacji logicznych, które byłyby niewykonalne przy użyciu klasycznego komputera.

Splątanie kwantowe

Proces splątania dwóch spułapkowanych jonów wymaga użycia pary starannie zestrojonych laserów ultrafioletowych, których wyprodukowanie na jednym układzie scalonym nie należy do łatwych przedsięwzięć. Praktyczna realizacja komputera kwantowego powinna wymagać również zastosowania procesorów składających się z tysięcy lub nawet milionów bitów kwantowych. Nie dziwi więc fakt, że naukowcy od dawna szukają sposobu manipulowania wieloma uwięzionymi jonami bez konieczności użycia dużej liczby wiązek laserowych.

W 2001 roku Christof Wunderlich z University of Hamburg wpadł na pomysł zastąpienia laserów źródłami promieniowania mikrofalowego, których wytworzenie oraz kontrolowanie byłoby znacznie prostsze w porównaniu z laserowymi źródłami światła. Promieniowanie mikrofalowe było już wcześniej stosowane w eksperymentach z uwięzionymi jonami, ale wykorzystanie go do przeprowadzania kwantowych operacji logicznych było wtedy bardzo rewolucyjną propozycją. Było tak dlatego, ponieważ stopień interakcji mikrofal z jonami wymagany przy wykonywaniu tego rodzaju operacji jest zazwyczaj bardzo słaby. Celem stymulowania tegoż oddziaływania zasugerowano dodanie czynnika zewnętrznego, którym było pole magnetyczne.

złota pułapka jonowa na podłożu z tlenku glinu
Złota pułapka jonowa na podłożu z tlenku glinu

Magnetyczny zamęt

Użycie statycznego pola magnetycznego sprawia jednak, że stany kwantowe są, niestety, podatne na zakłócenia magnetyczne, w związku z czym technika ta staje się stosunkowo problematyczna. W 2008 roku fizycy z Ion Storage Group z National Institute for Standards and Technology (NIST) w Boulder (USA) zamiast statycznego pola magnetycznego zaproponowali użycie źródeł promieniowania mikrofalowego generujących oscylujące pola magnetyczne. Odkryto, że stany kwantowe są dzięki tej metodzie mniej podatne na zakłócenia magnetyczne. Obie grupy badawcze doniosły o swoich znacznych postępach na łamach prestiżowego czasopisma Nature.

Grupa Wunderlicha, pracująca obecnie w University of Siegen, wraz z kolegami z Institute of Theoretical Physics w Ulm wymyśliła sposób kreowania stanów, które mimo, że nadal są czułe na gradient pola magnetycznego, są jednak znacznie mniej narażone na szum, dzięki czemu czas przebywania jonu w określonym stanie kwantowym uległ ponad stukrotnemu wydłużeniu. Winfried Hensinger z University of Sussex porównuje ideę techniki opracowanej przez zespół Wunderlicha do samochodowego systemu zawieszenia, który oddzielając karoserię od kół powoduje, że jakiekolwiek nierówności występujące na drodze nie będą przeszkadzały kierowcy w prowadzeniu samochodu.

Grupa NIST, z kolei, przeprowadziła wszystkie zasadnicze kwantowe operacje logiczne (na dwóch qubitach) za pomocą promieniowania mikrofalowego dostarczanego za pośrednictwem falowodu zintegrowanego z chipem. „Posiadamy zintegrowany mechanizm powodujący powstanie splątania pomiędzy dwoma spułapkowanymi jonami”, powiedział jeden z członków grupy z NIST. „Nie musimy już dłużej budować bardzo złożonych i wyrafinowanych systemów bazujących na laserach. Zamiast tego, za pomocą prądu elektrycznego przepływającego przez strukturę pułapkującą jony generujemy oscylujące pole magnetyczne i przeprowadzamy żądane operacje (działania) kwantowe”.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com

Dodaj komentarz