Komputer kwantowy z gotowych elementów?
PixabayStosunkowo prosty projekt komputera kwantowego, wykorzystującego pojedynczy atom do manipulowania fotonami, można by skonstruować z obecnie dostępnych komponentów.
Dzisiejsze komputery kwantowe są skomplikowane w budowie i trudne do skalowania. Wyzwania te skłoniły naukowców do zbadania możliwości zbudowania komputerów kwantowych, które działają przy użyciu fotonów – cząstek światła. Fotony mogą z łatwością przenosić informacje z jednego miejsca do drugiego, a fotoniczne komputery kwantowe mogą działać w temperaturze pokojowej, więc to podejście jest obiecujące. Jednak chociaż ludzie z powodzeniem stworzyli indywidualne „bramki logiczne” kwantowe dla fotonów, trudno jest skonstruować dużą liczbę bramek i połączyć je w niezawodny sposób w celu wykonania złożonych obliczeń.
Teraz naukowcy ze Stanford University zaproponowali prostszy projekt fotonicznych komputerów kwantowych przy użyciu łatwo dostępnych komponentów. Zaproponowany przez nich projekt w celu manipulowania pojedynczym atomem wykorzystuje laser. Poprzez zjawisko zwane „teleportacją kwantową” można modyfikować stan fotonów. Atom może zostać zresetowany i ponownie użyty w wielu bramkach kwantowych, eliminując potrzebę budowania wielu odrębnych bramek fizycznych, co znacznie zmniejsza złożoność budowy komputera kwantowego.
– Zwykle, jeśli chciałbyś zbudować tego typu komputer kwantowy, musiałbyś wziąć potencjalnie tysiące emiterów kwantowych, uczynić je całkowicie nieodróżnialnymi, a następnie zintegrować je w gigantyczny obwód fotoniczny – powiedział Ben Bartlett, doktorant w zakresie fizyki stosowanej. – Podczas gdy w przypadku tego projektu potrzebujemy tylko garstki stosunkowo prostych komponentów, a rozmiar maszyny nie zwiększa się wraz z rozmiarem programu kwantowego, który chcesz uruchomić.
Ta niezwykle prosta konstrukcja wymaga jedynie kilku elementów wyposażenia: kabla światłowodowego, rozdzielacza wiązki, pary przełączników optycznych i wnęki optycznej. Na szczęście te komponenty już istnieją, a nawet są dostępne na rynku. Są również stale udoskonalane, ponieważ aktualnie używa się ich w aplikacjach innych niż obliczenia kwantowe. Na przykład firmy telekomunikacyjne od lat pracują nad udoskonaleniem kabli światłowodowych i przełączników optycznych.
– To, co tutaj proponujemy, opiera się na wysiłkach i inwestycjach, jakie ludzie włożyli w ulepszenie tych komponentów – powiedział Shanhui Fan, profesor Joseph i Hon Mai Goodman w School of Engineering. – Nie są to nowe komponenty przeznaczone specjalnie do obliczeń kwantowych.
Projekt naukowców składa się z dwóch głównych części, czyli pierścienia akumulacyjnego i jednostki rozpraszającej. Pierścień pamięci, który działa podobnie do pamięci w zwykłym komputerze, jest pętlą światłowodową zawierającą wiele fotonów, które przemieszczają się po pierścieniu. Analogicznie do bitów przechowujących informacje w klasycznym komputerze, w tym systemie każdy foton reprezentuje bit kwantowy, czyli „kubit”. Kierunek przemieszczania się fotonu wokół pierścienia akumulacyjnego określa wartość kubitu, która może wynosić 0 lub 1. Dodatkowo, ponieważ fotony mogą jednocześnie istnieć w dwóch stanach, pojedynczy foton może płynąć w obu kierunkach jednocześnie i reprezentować wartość będącą jednocześnie kombinacją 0 i 1.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Naukowcy mogą manipulować fotonem, kierując go z pierścienia akumulacyjnego do jednostki rozpraszającej, gdzie przemieszcza się on do wnęki zawierającej pojedynczy atom. Foton wchodzi następnie w interakcję z atomem, powodując „splątanie”, zjawisko kwantowe, w którym dwie cząstki mogą wpływać na siebie nawzajem nawet na duże odległości. Następnie foton wraca do pierścienia magazynującego, a laser zmienia stan atomu. Ponieważ atom i foton są splątane, zarządzanie atomem wpływa również na stan jego sparowanego fotonu.
– Poprzez pomiar stanu atomu można teleportować operacje na fotony – powiedział Bartlett. – Potrzebujemy więc tylko jednego kontrolowanego kubitu atomowego i możemy go użyć jako proxy do pośredniego manipulowania wszystkimi innymi kubitami fotonicznymi.
Ponieważ dowolną bramkę logiki kwantowej można skompilować w sekwencję operacji wykonywanych na atomie, w zasadzie można uruchomić dowolny program kwantowy o dowolnej wielkości, używając tylko jednego sterowanego kubitu atomowego. Aby uruchomić program, kod jest tłumaczony na sekwencję operacji, które kierują fotony do jednostki rozpraszającej i manipulują kubitem atomowym. Ponieważ można kontrolować sposób interakcji atomu i fotonów, to samo urządzenie jest w stanie obsługiwać wiele różnych programów kwantowych.
– W przypadku wielu fotonicznych komputerów kwantowych bramy są fizycznymi strukturami, przez które przechodzą fotony, więc jeśli chcesz zmienić uruchomiony program, często wiąże się to z fizyczną rekonfiguracją sprzętu – powiedział Bartlett. – Podczas gdy w tym przypadku nie trzeba zmieniać sprzętu. Wystarczy jedynie przekazać maszynie inny zestaw instrukcji.
Źródło: Stanford University
