Армия США прогнозирует, что квантовые компьютеры при комнатной температуре будут доступны в течение десяти лет

14

Исследователи из вооруженных сил США предсказывают, что схемы квантовых компьютеров, которые больше не будут нуждаться в экстремально низких температурах для работы, могут стать реальностью примерно через десять лет.

В течение многих лет твердотельная квантовая технология, работающая при комнатной температуре, казалась далекой. Хотя применение прозрачных кристаллов с оптическими нелинейностями оказалось наиболее вероятным путем к этой вехе, правдоподобность такой системы всегда вызывала сомнения.

Обоснованность этого подхода официально подтверждена. Доктор Курт Джейкобс из исследовательской лаборатории армии США по развитию боевых возможностей в сотрудничестве с доктором Миккелем Хеаком и профессором Дирком Энглундом из Массачусетского технологического института был первым, кто продемонстрировал возможность создания квантового логического элемента. состоит из фотонных схем и оптических кристаллов. Они публикуют результаты в «Письмах с физическим обзором».

«Если будущим устройствам, использующим квантовые технологии, потребуется охлаждение до очень низких температур, это сделает их дорогими, громоздкими и энергоемкими», – сказал Хеук. Наше исследование направлено на разработку будущих фотонных схем, которые могут управлять запутыванием, необходимым для квантовых устройств при комнатной температуре ».

Квантовая технология предлагает ряд будущих достижений в области вычислений, связи и дистанционного зондирования. Для выполнения любого типа задач традиционные классические компьютеры работают с полностью определенной информацией. Информация хранится во многих битах, каждый из которых может быть включен или выключен. Классический компьютер, когда он получает ввод, заданный числом битов, может обработать этот ввод для получения ответа, который также задается числом бит. Классический компьютер обрабатывает один ввод за раз.

Напротив, квантовые компьютеры хранят информацию в кубитах, которые могут находиться в странном состоянии, когда они одновременно включены и выключены. Это позволяет квантовому компьютеру одновременно исследовать отклики на множество входных сигналов. Хотя вы не можете сгенерировать все ответы сразу, вы можете создать взаимосвязь между этими ответами, что позволит вам решать некоторые проблемы намного быстрее, чем на классическом компьютере.

К сожалению, одним из основных недостатков квантовых систем является хрупкость странных состояний кубитов. Большинство перспективного оборудования для квантовой технологии должно храниться при чрезвычайно низких температурах – близких к нулю градусов Кельвина – чтобы предотвратить разрушение особых состояний при взаимодействии с компьютерной средой.

«Любое взаимодействие кубита с чем-либо еще в окружающей среде приведет к искажению его квантового состояния», – говорит Джейкобс. Например, если окружающая среда представляет собой газ в виде твердых частиц, поддержание его очень холодным заставляет молекулы газа двигаться медленно, поэтому они не так часто сталкиваются в квантовых цепях ».

Исследователи прилагали различные усилия для решения этой проблемы, но окончательного решения пока не найдено. На данный момент фотонные схемы, включающие нелинейные оптические кристаллы, теперь стали единственным жизнеспособным путем для квантовых вычислений с твердотельными системами при комнатной температуре.

«Фотонные схемы немного похожи на электрические схемы, за исключением того, что они управляют светом, а не электрическими сигналами», – говорит Инглунд. Например, мы можем сделать каналы в прозрачном материале, по которым фотоны будут двигаться вниз, что немного похоже на электрические сигналы, которые проходят по проводам ».

В отличие от квантовых систем, которые используют ионы или атомы для хранения информации, квантовые системы, использующие фотоны, могут избежать ограничения низкой температуры. Однако фотоны по-прежнему должны взаимодействовать с другими фотонами для выполнения логических операций. Именно здесь в игру вступают нелинейные оптические кристаллы.

Исследователи могут создавать полости в кристаллах, которые временно задерживают фотоны внутри. С помощью этого метода квантовая система может установить два различных возможных состояния, которые может содержать кубит: полость с фотоном (включен) и полость без фотона (выключена). Эти кубиты могут образовывать квантовые логические ворота, которые создают основу для странных состояний.

Другими словами, исследователи могут использовать неопределенное состояние того, находится ли фотон в кристаллической полости, для представления кубита. Логические вентили действуют на два кубита вместе и могут создавать «квантовую запутанность» между ними. Эта запутанность создается автоматически в квантовом компьютере и необходима для квантовых подходов к приложениям обнаружения.

Тем не менее, до этого момента ученые основывали идею создания квантовых логических вентилей с использованием нелинейных оптических кристаллов полностью на предположениях. Хотя это было многообещающим, оставались сомнения, может ли этот метод привести к практическим логическим воротам.

Применение нелинейно-оптических кристаллов оставалось под вопросом до тех пор, пока исследователи из армейской лаборатории и Массачусетского технологического института не нашли способ реализовать квантовый логический вентиль с этим подходом с использованием установленных компонентов фотонной схемы.

«Проблема заключалась в том, что если у вас есть фотон, перемещающийся в канале, у фотона есть« волновой пакет »определенной формы», – говорит Джейкобс. Для квантового затвора вам нужно, чтобы волновые пакеты фотонов оставались неизменными после операции затвора. Поскольку нелинейности искажают волновые пакеты, вопрос заключался в том, могли бы вы загрузить волновой пакет в полости, заставить их взаимодействовать через нелинейность, а затем снова испустить фотоны, чтобы они имели одинаковые волновые пакеты с те, кто начал ».

Разработав квантовый логический вентиль, исследователи провели многочисленные компьютерные симуляции работы логического элемента, чтобы показать, что он теоретически может работать должным образом. По словам исследователей, создание квантового логического элемента с помощью этого метода в первую очередь потребует значительного улучшения качества определенных фотонных компонентов.

«Основываясь на прогрессе, достигнутом за последнее десятилетие, мы ожидаем, что для внесения необходимых улучшений потребуется около десяти лет», – заключает Хеук. Однако процесс загрузки и испускания волнового пакета без искажений – это то, что мы должны уметь делать с помощью современных экспериментальных технологий, так что это эксперимент, над которым мы будем работать дальше.

С информацией от Noticieros Televisa

Фото: Новости Televisa

Источник записи: https://www.globalmedia.mx

Этот веб-сайт использует файлы cookie для улучшения вашего опыта. Мы предполагаем, что вы согласны с этим, но вы можете отказаться, если хотите. Принимаю Подробнее