الكمبيوتر الكمومي: فوتون واحد يحكم الجميع

بدأ تاريخ تكنولوجيا الكمبيوتر ، الذي نسميه الآن خادم أو كمبيوتر ، منذ قرون عديدة. بمرور الوقت وتطور التكنولوجيا ، تحسنت أجهزة الكمبيوتر. تحسين الأداء والسرعة وحتى المظهر. يقوم أي كمبيوتر بشكل أساسي بتنفيذ بعض قوانين العلوم الطبيعية ، مثل الفيزياء والكيمياء. من خلال التعمق في أي من هذه العلوم ، يجد الباحثون طرقًا جديدة وجديدة لتحسين أنظمة الحوسبة. اليوم سوف نتعرف على دراسة تهدف إلى تنفيذ استخدام الفوتونات في أجهزة الكمبيوتر الكمومية. دعنا نذهب.

الأساس النظري

لم تعد عبارة "الكمبيوتر الكمومي" صادمة ، على الرغم من أنها تبدو مثل الخيال العلمي. ومع ذلك ، لا يوجد شيء رائع فيه ، على الأقل من وجهة نظر أدبية. يستغل الكمبيوتر الكمي تراكب الكم والتشابك الكمي. بكلمات بسيطة ، يعتبر التراكب الكمي ظاهرة عندما تكون الحالات الكمية للنظام متنافية. إذا لم نتحدث عن الجسيمات ، عن شيء "أكبر" ، فيمكننا ذكر القط شرودنغر.


أما بالنسبة للتشابك الكمومي ، فإن حالات جسيمين أو أكثر تعتمد على بعضها البعض. أي إذا تحدثنا عن نفس الفوتونات ، إذا أدى تغير في دوران أحد الجسيمات إلى حقيقة أنه يصبح إيجابيًا ، يصبح الثاني تلقائيًا سلبيًا ، والعكس صحيح. في الوقت نفسه ، من خلال قياس حالة الجسيم الأول ، نحرم الجسيم الثاني من حالة التشابك الكمي على الفور.

لا يعمل الكمبيوتر الكمومي مع البتات ، ولكن مع البتات ، التي تختلف عن البتات الأولى من حيث أنها يمكن أن تكون في وقت واحد في حالتين - 0 و 1. يسمح لك هذا بمعالجة المعلومات بشكل أسرع.

مع الفوتونات ، كل شيء أسهل قليلاً. الفوتون هو "جزء من الضوء" ، إذا تكلمنا بشكل مبالغ فيه. تعريف أكثر علمية هو جسيم أولي للإشعاع الكهرومغناطيسي ، قادر على نقل التفاعل الكهرومغناطيسي.

الوجه الآخر للعملة

الفوتونات هي حاملات ممتازة للمعلومات الكمية ، ولكن عدم وجود علاقة حتمية * بين الفوتون والفوتون يحد من استخدامها في أجهزة الكمبيوتر والشبكات الكمومية.

الأنظمة الحتمية * هي أنظمة تترابط فيها العمليات بطريقة يمكن من خلالها تتبع التسلسل السببي. بمعنى آخر ، هذه أنظمة تتوافق فيها البيانات الواردة (على سبيل المثال ، المهام) تمامًا مع البيانات الصادرة (نتيجة الحل).

ربما لم تكن هذه الدراسة قد أجريت على الإطلاق لولا الاكتشافات الحديثة في مجال تفاعل المادة الضوئية عن طريق ذرات محاصرة محاصرة ، مما جعل من الممكن استخدام اللاخطية الضوئية * في وضع الفوتون الواحد.

يتم تفسير اللاخطية الضوئية * من خلال الاستجابة غير الخطية لمتجه الاستقطاب لناقل المجال الكهربائي للموجة الضوئية. يمكن ملاحظة ذلك باستخدام الليزر ، لأنها يمكن أن تولد شعاعًا بكثافة عالية من الضوء.

اللاخطية البصرية باستخدام مثال الجيل الثاني التوافقي

ترتبط هذه التقنية بمشكلات في تنفيذ الأجهزة في شكل مضغوط ، حيث يتطلب تنفيذها تكوين مصائد ليزر كبيرة جدًا ومعقدة للغاية لتكوينها. بالإضافة إلى ذلك ، تعمل الذرات المحايدة مع عرض نطاق ترددي منخفض.

خيار آخر ، تم وضعه أيضًا لفترة طويلة ، هو نظام يعتمد على الديناميكا الكهربائية الكمومية غير الخطية. نظرًا لأن هذه الأنظمة تعمل حصريًا في وضع الميكروويف ، فإن وضعها في الوضع البصري يمثل مشكلة كبيرة.

قرر باحثون آخرون البحث بشكل أعمق ، بشكل حرفي تقريبًا. إن استخدام أنظمة النانو الضوئية التي تتفاعل فيها الفوتونات مع عناصر النانومتر (في هذه الحالة ، بواعث الكم) هي طريقة جذابة للغاية لتحقيق اللاخطية الفوتونية المفردة في أجهزة الحالة الصلبة المدمجة. ومع ذلك ، في الوقت الحالي ، تستخدم هذه التجارب بواعث ، ممثلة بنظام ذري من مستويين ، مقيدة بحل وسط بين عرض النطاق والتأخير ، مما يجعل تنفيذ المفاتيح أحادية الصوت مستحيلاً.

في الختام ، كان لجميع الدراسات السابقة نتائج إيجابية معينة ، والتي ، للأسف ، ارتبطت ببعض مشاكل التنفيذ أو تفاعل الأنظمة.

أساسيات الدراسة

في نفس الدراسة ، تم إدراك مفتاح أحادي الفوتون وترانزستور يتم تنفيذهما عن طريق إقران qubit الحالة الكمومية والمرنان الفوتوني.

أحد العناصر الرئيسية للتجربة هو كيوبت تدور ، يتكون من إلكترون واحد في نقطة كمية مشحونة * .

النقطة الكمومية * (أو "الذرة الاصطناعية") هي جسيم أشباه الموصلات. نظرًا لصغر حجمها ، تختلف خصائصها البصرية والإلكترونية تمامًا عن تلك الخاصة بالجسيمات الأكبر.

الصورة رقم 1 أ

يوضح الشكل 1 أ هيكل مستوى النقطة الكمية ، والذي يتضمن حالتين أساسيتين * مع دوران متعاكس ، مما يشكل ذاكرة كمية مستقرة. يتم تسمية هذه الحالات كما يلي: | ↑⟩ و | ↓⟩ .

الحالة الأرضية * - في ميكانيكا الكم ، تكون حالة ثابتة عندما لا يتغير مستوى الطاقة والكميات الأخرى ، بأقل طاقة.

حالات الإثارة * ، التي تحتوي على زوج من الإلكترونات وفتحة واحدة * مع لفات متقابلة ، يتم تمييزها أيضًا على الصورة. يتم تصنيفها كما يلي: | ↑ ↓ و ⇑⟩ و | ↑ ↓ و ⇓⟩ .

الإثارة * - تشير إلى انتقال النظام من حالة الأرض إلى حالة ذات طاقة أعلى.

الثقب * هو جسيم شبه ، حامل لشحنة موجبة تساوي شحنة أولية ، في أشباه الموصلات.

الصورة رقم 1 ب

الصورة 1 ب عبارة عن صورة لمرنان نانوفوتوني ملفق تم التقاطه بواسطة مجهر إلكتروني مسح. من خلال استغلال تأثير Vogt * ، تم الحصول على مركب يعتمد على الدوران من خلال تطبيق مجال مغناطيسي (5.5 T) على طول مستوى الجهاز.

تأثير Vogt * - حدوث الانكسار المزدوج للموجة الكهرومغناطيسية أثناء انتشاره في المواد الصلبة.

من خلال قياس الانعكاسية المتصالبة ، كان من الممكن أيضًا تحديد قوة المركب ( ز ) ومعدل الاضمحلال لطاقة مرنان النانو فوتون ( ك ) وانتقال ثنائي القطب اللاصق ( ص ):

• g /2π=10.7 Altern0.2 غيغاهرتز
• k / 2π = 35.5 تردد 0.6 جيجا هرتز
• y /2π=3.5 يعتمد 0.3 جيجا هرتز

علاوة على ذلك ، g> k / 4 هو شرط يحدد أن الجهاز قد تحول إلى وضع اتصال قوي ومستقر.


الصورة رقم 1s

توضح الصورة 1 ج (أعلى اليسار) بيانيًا مبادئ تشغيل مفتاح الفوتون الأحادي والترانزستور. كما نرى ، إذا كان نبض البوابة لا يحتوي على الفوتونات ، فإن الدوران يبقى في وضع "الأسفل". إذا كان الفوتون واحدًا موجودًا ، فالتدوير يذهب إلى الموضع الأعلى. ونتيجة لذلك ، تتحكم حالة السبين في معامل الانعكاس لمرنان الفوتونات النانوية ، وبالتالي تغيير استقطاب فوتونات الإشارة المنعكسة.

يظهر تسلسل النبض بأكمله في الصورة 1 ج (أسفل). الآن دعونا نحصل على مزيد من التفاصيل حول كل خطوة.

• في البداية ، توجد نقطة كمية في تراكب حالة الدوران الأرضية. يتم حسابها باستخدام الصيغة (| ↑⟩ + | ↓⟩) / √2 . يتم تحقيق ذلك من خلال تطبيق نبض التهيئة لضخ الدوران البصري ، مما يضعه في حالة "لأسفل".
• بعد ذلك ، يتم تطبيق نبضة دورانية بصرية ، مما يخلق دوران دوران π / 2.
• لبعض الوقت ( τ ) ، يتطور النظام بحرية.
  
  إذا تم تعيين هذا الوقت كعدد صحيح + نصف فترة موكب السبين ، فعند غياب الفوتون المغلق ، فإن السبين سوف ينتقل إلى الحالة (| ↑⟩ - | ↓⟩) / √2 ، وسيعيد نبض الدوران الثاني الدوران إلى الحالة "السفلية". إذا انعكس الفوتون البوابة من الرنان ، فإنه يشكل تحولًا نسبيًا في الطور بين الحالة الأعلى والأسفل ، والذي يعكس الدوران على طول المحور ( س ) للكرة البلوخية * . وبالتالي ، فإن الدافع الثاني للدوران سوف يترجم السبين إلى الحالة "الأعلى".
• يتم استخدام دافع دوران آخر مطابق للأول.
• يتم إدخال نبضة البوابة بين هذين النبضين.

Bloch sphere * - في ميكانيكا الكم يستخدم كوسيلة للتمثيل الهندسي لمساحة حالة qubit.

• في نهاية العملية ، ينعكس مجال الإشارة من الرنان ويخضع لدورة الاستقطاب ، والتي تعتمد بشكل مباشر على حالة الدوران.

الصورة رقم 2 أ

يوضح الرسم البياني أعلاه نفاذية حقل الإشارة الذي يمر عبر المستقطب ، في شكل دالة (τ) في غياب نبضة البوابة.

يتم تحديد تباين النفاذية بالصيغة: δ = T _up - T _down

حيث T _up و T _down هما معاملا الإرسال لمجال الإشارة في لحظات انتقال الدوران إلى الحالة "لأعلى" ( لأعلى ) و "لأسفل" ( لأسفل ) باستخدام نبضات دوران تناظر القيم القصوى والدنيا للإرسال في التذبذب.

القيمة الثابتة هي δ = 0.24 ± 0.01. وهي تختلف تمامًا عن الحالة المثالية نظرًا لحالة الدوران غير الدقيقة F = 0.78 ± 0.01 وبسبب التعاون المحدود = 2 جم ² / ky = 1.96 ± 0.19.


الصورة رقم 2 ب

يوضح الرسم البياني 2 ب الحالة عند استخدام نبضة 63 ps ، تحتوي على ما يقرب من 0.21 فوتونات لكل نبضة مرتبطة بالرنان. للتأكد من أن الفوتون ينظم النفاذية ، تم قياس تزامن الفوتون بين البوابة وفوتونات الإشارة.

النقاط الخضراء هي النفاذية المقيسة للإشارة بسبب الكشف عن الفوتون البوابة المنعكسة كدالة ( τ ).

الخط الأخضر هو المراسلات العددية للنموذج المعروض على الرسم البياني 2 أ .

الخط الرأسي (أ) في الرسم البياني 2 أ و 2 ب هو تحديد الحالة عندما يمر الدوران بعدد نصف صحيح من الدورات حول كرة بلوخ خلال فترة التطور الحر. في مثل هذه الحالة ، يتسبب فوتون البوابة في استقطاب مجال الإشارة لبدء التدوير وإعادة التوجيه عبر المستقطب.

الخط الرأسي (ب) في الرسم البياني 2 أ و 2 ب هو عرض لحالة التشغيل الثانية التي تكون فيها عمليات التحويل ممكنة. في هذا النموذج ، يلاحظ سلوك التبديل العكسي عندما يمنع الفوتون المغلق دوران مجال الإشارة ، مما يقلل من النفاذية.

في كلتا الحالتين ، يؤدي نبض البوابة إلى تغيير في نفاذية الإشارة بمقدار 0.21 ± 0.02. للنظر في الفوتون المثالي للغالق ، يجب أن يكون هذا المؤشر مساوياً لـ 0.24 ، كما هو محدد في الحسابات ، كما هو موضح في الرسم البياني 2 أ . في حالة تجربة حقيقية ، تكون المؤشرات أسوأ بسبب استخدام ليزر مخفف (مع تذبذب مخمد) لإنشاء نبض بوابة ، والذي ، على الرغم من أنه من غير المحتمل ، يمكن أن يحتوي على العديد من الفوتونات.


الصورة رقم 2s

يوضح الرسم البياني أعلاه النفاذية كدالة لوقت التأخير ( τ ) ، عندما يتم تعيين متوسط ​​قيمة فوتونات الإشارة لكل نبضة على 4.4 ± 0.5 (أعلى) ، 10.9 ± 1.2 (وسط) ، 23.0 ± 2.5 (أسفل).

النقاط الخضراء - النفاذية بسبب الكشف عن الفوتون مصراع.

مربعات برتقالية - نفاذية بدون نبض مصراع.

الخطوط الخضراء والبرتقالية - المراسلات العددية للنماذج النظرية من الرسوم البيانية 2 أ و 2 ب .

في جميع الحالات ، لوحظ سلوك التبديل بشكل واضح.

أعطت حسابات تباين التحويل ( ξ ) النتائج التالية: 0.22 ± 0.03 و 0.17 ± 0.02 و 0.12 ± 0.02 ، وفقًا لكل رسم بياني.

المشكلة الرئيسية المرتبطة بتباين التبديل هي انخفاضه مع زيادة عدد فوتونات الإشارة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن كل فوتون إشارة يمكن أن يعكس الدوران من خلال تشتت الضوء في رامان ( تأثير رامان * ). يؤدي هذا إلى إعادة تعيين حالة الذاكرة الكمية الداخلية.

تأثير رامان * هو التشتت غير المرن للإشعاع البصري عندما تصطدم الجسيمات ، مما يؤدي إلى تغيير في حالتها ، أو تكوين جزيئات جديدة ، أو التحول إلى أخرى ، أو ولادة جسيمات جديدة.

الصورة رقم 3

في الرسم البياني 3 أ ، تظهر النقاط الزرقاء تباين الإرسال المقيس عندما لا يكون هناك نبض بوابة ، كدالة لمتوسط ​​عدد الفوتونات في مجال الإشارة. هذا مؤشر على درجة التبديل الذاتي التي تثيرها إشارة بدون مصراع. تشير الخطوط الزرقاء إلى المراسلات العددية لبيانات دالة أسية للنموذج exp (-N _s / N _avg ) ، حيث N _avg هو متوسط ​​عدد فوتونات الإشارة اللازمة لتغيير موضع الدوران. أظهرت الحسابات أن _{المتوسط} N = 27.7 ± 8.3.

خاصية أخرى مهمة للترانزستورات هي معامل الإرسال ( G ). يوضح الرسم البياني 2 ب (النقاط الزرقاء) نمو هذا المؤشر. تمكن الباحثون من تحقيق G = 3.3 ± 0.4 بعدد الفوتونات N _s = 29.2 ± 3.2.

تم وصف معلومات أكثر تفصيلاً بشأن هذه الدراسة ، بالإضافة إلى طرق الحساب في التقرير ، وهي متاحة بالإشارة إليها. أنصحك بشدة بالتعرف على نفسك.

الخاتمة

في الوقت الحالي ، فإن أكبر عقبة في عملية تنفيذ جهاز كامل بناءً على هذه الدراسة هو فقدان الفوتونات. ومع ذلك ، يجادل العلماء بأن هذه المشكلة يمكن حلها. ليس هو ، هكذا علماء آخرون. في الوقت الحالي ، هناك العديد من الدراسات التي تهدف إلى تحسين الأجهزة الكمومية ، والتي ستعتمد على الفوتونات.

هذه الدراسات ، بما في ذلك تلك التي تم فحصها اليوم ، تتراكم على أساس نظري مدعوم بالتجريب. يتبع النظرية دائمًا التنفيذ العملي. لكن هذا ممكن فقط عندما يتم تحقيق كتلة حرجة من المعرفة التي تسمح بالإدراك الكامل للفكرة.

تم بالفعل اتخاذ الخطوات الأولى. نعم ، هذه الخطوات صغيرة ، لكن العديد من العلماء حول العالم يأخذونها ، كل في اتجاهه الخاص. وعلى الرغم من اختلاف مساراتها ، فإن وجهة هذا المسار المعقد بشكل لا يصدق وفي نفس الوقت رائعة.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).

ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟