Έρευνα από τη Σχολή Μηχανικών της McKelvey στο Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον στο Σεντ Λούις βρήκε ένα κομμάτι που λείπει στο παζλ της οπτικής κβαντικής πληροφορικής.
<script async src="https://pagead2.googlesyndication.com/pagead/js/adsbygoogle.js?client=ca-pub-6601148609591555"
crossorigin="anonymous"></script>Jung-Tsung Shen, αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Μηχανολόγων Ηλεκτρολόγων & Συστημάτων, έχει αναπτύξει μια ντετερμινιστική, υψηλής πιστότητας κρυφή λογική πύλης δύο bit που εκμεταλλεύεται μια νέα μορφή φωτός. Αυτή η νέα πύλη λογικής είναι τάξεις μεγέθους πιο αποτελεσματικές από την τρέχουσα τεχνολογία.
"Στην ιδανική περίπτωση, η πιστότητα μπορεί να φτάσει το 97%", δήλωσε ο Σεν.
Η έρευνά του δημοσιεύτηκε Μάιο του 2021 στο περιοδικό Physical Review Α .
Το δυναμικό των κβαντικών υπολογιστών συνδέεται με τις ασυνήθιστες ιδιότητες της υπέρθεσης - την ικανότητα ενός κβαντικού συστήματος να περιέχει πολλές διαφορετικές ιδιότητες, ή καταστάσεις, ταυτόχρονα - και εμπλοκή - δύο σωματίδια που δρουν σαν να συσχετίζονται σε μια μη κλασική τρόπο, παρά τη φυσική αφαίρεση του άλλου.
Όπου η τάση καθορίζει την τιμή ενός bit (a 1 ή 0) σε έναν κλασικό υπολογιστή, οι ερευνητές χρησιμοποιούν συχνά μεμονωμένα ηλεκτρόνια ως "qubits", το κβαντικό ισοδύναμο. Τα ηλεκτρόνια έχουν πολλά χαρακτηριστικά που ταιριάζουν καλά στην εργασία: χειρίζονται εύκολα από ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Η αλληλεπίδραση είναι ένα όφελος όταν χρειάζεστε δύο bit για να μπλέξετε - αφήνοντας την αγριότητα της κβαντικής μηχανικής να εκδηλωθεί.
Αλλά η τάση τους να αλληλεπιδρούν είναι επίσης ένα πρόβλημα. Όλα από τα αδέσποτα μαγνητικά πεδία έως τα ηλεκτροφόρα καλώδια μπορούν να επηρεάσουν τα ηλεκτρόνια, καθιστώντας τα δύσκολα στον πραγματικό έλεγχο.
Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, ωστόσο, ορισμένοι επιστήμονες προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν φωτόνια ως qubits αντί για ηλεκτρόνια. "Εάν οι υπολογιστές πρόκειται να έχουν πραγματικό αντίκτυπο, πρέπει να εξετάσουμε τη δημιουργία της πλατφόρμας χρησιμοποιώντας φως", δήλωσε ο Shen.
Τα φωτόνια δεν έχουν καμία φόρτιση, η οποία μπορεί να οδηγήσει στα αντίθετα προβλήματα: δεν αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον όπως τα ηλεκτρόνια, αλλά επίσης δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Επίσης, ήταν δύσκολο να δημιουργηθεί και να δημιουργηθούν ad hoc (αποτελεσματικές) αλληλεπιδράσεις μεταξύ φωτονίων . Ή έτσι πήγε η παραδοσιακή σκέψη.
Πριν από λιγότερο από μια δεκαετία, οι επιστήμονες που εργάζονταν σε αυτό το πρόβλημα ανακάλυψαν ότι, ακόμα κι αν δεν μπλέχτηκαν καθώς μπήκαν σε μια λογική πύλη, η πράξη της μέτρησης των δύο φωτονίων όταν βγήκαν τους οδήγησε να συμπεριφέρονται σαν να ήταν. Τα μοναδικά χαρακτηριστικά της μέτρησης είναι μια άλλη άγρια εκδήλωση της κβαντικής μηχανικής.
"Η κβαντική μηχανική δεν είναι δύσκολη, αλλά είναι γεμάτη εκπλήξεις", δήλωσε ο Shen.
Η ανακάλυψη μέτρησης ήταν πρωτοποριακή, αλλά δεν αλλάζει αρκετά το παιχνίδι. Αυτό συμβαίνει επειδή για κάθε 1.000.000 φωτόνια, μόνο ένα ζευγάρι μπλέχτηκε. Έκτοτε, οι ερευνητές ήταν πιο επιτυχημένοι, αλλά, είπε ο Shen, "Δεν είναι ακόμα αρκετά καλό για έναν υπολογιστή", ο οποίος πρέπει να εκτελεί εκατομμύρια έως δισεκατομμύρια λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο.
Ο Shen μπόρεσε να χτίσει μια κβαντική πύλη δύο-bit με τέτοια αποδοτικότητα, λόγω της ανακάλυψης μιας νέας κατηγορίας κβαντικών φωτονικών καταστάσεων - φωτονικών διμερών, φωτονίων εμπλεγμένων τόσο στο διάστημα όσο και στη συχνότητα. Η πρόβλεψή του για την ύπαρξή τους επικυρώθηκε πειραματικά το 2013 και έκτοτε βρήκε εφαρμογές για αυτήν τη νέα μορφή φωτός.
Όταν ένα μεμονωμένο φωτονίο εισέρχεται σε μια λογική πύλη, δεν συμβαίνει τίποτα αξιοσημείωτο - μπαίνει και βγαίνει. Αλλά όταν υπάρχουν δύο φωτόνια, "Τότε είχαμε προβλέψει ότι τα δύο μπορούν να κάνουν μια νέα κατάσταση, φωτονικά διμερή. Αποδεικνύεται ότι αυτή η νέα κατάσταση είναι κρίσιμη."
Μαθηματικά, υπάρχουν πολλοί τρόποι για να σχεδιάσετε μια λογική πύλη για λειτουργίες δύο bit. Αυτά τα διαφορετικά σχέδια ονομάζονται ισοδύναμα. Η συγκεκριμένη λογική πύλη που σχεδίασε ο Σεν και η ερευνητική του ομάδα είναι η πύλη ελεγχόμενης φάσης (ή πύλη ελεγχόμενου-Ζ). Η κύρια λειτουργία της πύλης ελεγχόμενης φάσης είναι ότι τα δύο φωτόνια που βγαίνουν βρίσκονται στην αρνητική κατάσταση των δύο φωτονίων που εισήλθαν.
"Στα κλασικά κυκλώματα, δεν υπάρχει κανένα σύμβολο μείον", είπε ο Σεν. "Αλλά στον κβαντικό υπολογισμό , αποδεικνύεται ότι το σύμβολο μείον υπάρχει και είναι κρίσιμο."
Όταν δύο ανεξάρτητα φωτόνια (που αντιπροσωπεύουν δύο οπτικά qubits) εισέρχονται στη λογική πύλη, "Ο σχεδιασμός της λογικής πύλης είναι τέτοιος που τα δύο φωτόνια μπορούν να σχηματίσουν ένα φωτονικό διμερές", δήλωσε ο Shen. "Αποδεικνύεται ότι η νέα κβαντική φωτονική κατάσταση είναι κρίσιμη καθώς επιτρέπει στην κατάσταση εξόδου να έχει το σωστό σημάδι που είναι απαραίτητο για τις λειτουργίες οπτικής λογικής."
Ο Σεν συνεργάστηκε με το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν για να δοκιμάσει το σχέδιό του, που είναι μια πύλη λογικής στερεάς κατάστασης - μια που μπορεί να λειτουργήσει υπό μέτριες συνθήκες. Μέχρι στιγμής, λέει, τα αποτελέσματα φαίνονται θετικά.
Ο Σεν λέει ότι αυτό το αποτέλεσμα, ενώ δυσκολεύει τους περισσότερους, είναι ξεκάθαρο όπως και για όσους γνωρίζουν.
«Είναι σαν ένα παζλ», είπε. "Μπορεί να είναι περίπλοκο να το κάνεις, αλλά μόλις τελειώσει, απλά κοιτάζοντας το, θα ξέρεις ότι είναι σωστό."
No comments:
Post a Comment