Die Geschichte der Computertechnologie, die wir heute einfach als Server oder Computer bezeichnen, begann vor vielen Jahrhunderten. Im Laufe der Zeit und der Entwicklung der Technologie haben sich die Computer verbessert. Verbesserte Leistung, Geschwindigkeit und gleichmäßiges Erscheinungsbild. Jeder Computer implementiert grundsätzlich bestimmte naturwissenschaftliche Gesetze wie Physik und Chemie. Die Forscher gehen tiefer in diese Wissenschaften ein und suchen nach neuen und neuen Wegen, um Computersysteme zu verbessern. Heute werden wir eine Studie kennenlernen, die darauf abzielt, die Verwendung von Photonen in Quantencomputern zu implementieren. Lass uns gehen.
Theoretische GrundlageDer Ausdruck "Quantencomputer" ist nicht mehr schockierend, obwohl er nach Science-Fiction klingt. Es ist jedoch nichts Fantastisches daran, zumindest aus literarischer Sicht. Ein Quantencomputer nutzt die Quantenüberlagerung und die Quantenverschränkung aus. Mit einfachen Worten, Quantenüberlagerung ist ein Phänomen, wenn sich die Quantenzustände eines Systems gegenseitig ausschließen. Wenn wir nicht über Partikel sprechen, über etwas "Größeres", dann können wir die Katze Schrödinger erwähnen.
Ein bisschen über die Katze SchrödingerDieses theoretische Experiment wurde von Schrödinger selbst hinreichend detailliert beschrieben und ist zum Teil schwierig. Eine vereinfachte Version ist:
Es gibt eine Stahlbox. In der Box gibt es eine Katze und einen Mechanismus. Der Mechanismus ist ein Geigerzähler mit einer sehr geringen Menge an radioaktiver Substanz. Diese Substanz ist so klein, dass in 1 Stunde 1 Atom zerfallen kann (oder nicht). In diesem Fall entlädt sich die Ableseröhre und ein Relais löst aus, wodurch ein Hammer freigesetzt wird, der über der Giftbirne hängt. Die Flasche zerbricht und das Gift tötet die Katze.
VersuchsillustrationNun eine Erklärung. Wir sehen nicht, was in der Box passiert, wir können den Prozess nicht einmal durch unsere Beobachtungen beeinflussen. Bis wir die Schachtel öffnen, wissen wir nicht, ob die Katze lebt oder tot ist. Übertreibend können wir also sagen, dass sich die Katze in der Kiste für uns gleichzeitig in zwei Zuständen befindet: Er lebt und ist tot.
Ein sehr interessantes Experiment, das die Grenzen der Quantenphysik überschreitet.
Das Paradoxon von Wigner kann als noch ungewöhnlicher angesehen werden. Zu allen oben genannten Variablen des Experiments werden einige Freunde von Laborassistenten hinzugefügt, die dieses Experiment durchführen. Als er die Schachtel öffnet und den genauen Zustand der Katze herausfindet, kennt sein Freund, der sich an einem anderen Ort befindet, diesen Zustand nicht. Der erste sollte den zweiten darüber informieren, dass die Katze lebt oder tot ist. Bis also jeder im Universum den genauen Zustand des armen Tieres kennt, wird es gleichzeitig als tot und lebendig betrachtet.
Was die Quantenverschränkung betrifft, so hängen die Zustände von zwei oder mehr Teilchen voneinander ab. Das heißt, wenn von denselben Photonen gesprochen wird, wenn eine Änderung des Spins eines Teilchens dazu führt, dass es positiv wird, wird das zweite automatisch negativ und umgekehrt. Gleichzeitig berauben wir durch Messung des Zustands des ersten Teilchens das zweite Teilchen sofort des Zustands der Quantenverschränkung.
Ein Quantencomputer arbeitet nicht mit Bits, sondern mit Qubits, die sich von den ersten dadurch unterscheiden, dass sie sich gleichzeitig in zwei Zuständen befinden können - 0 und 1. Auf diese Weise können Sie Informationen viel schneller verarbeiten.
Mit Photonen ist alles etwas einfacher. Photon ist ein "Lichtteilchen", wenn wir sehr übertrieben sprechen. Eine wissenschaftlichere Definition ist ein Elementarteilchen elektromagnetischer Strahlung, das elektromagnetische Wechselwirkungen übertragen kann.
Rückseite der MünzePhotonen sind ausgezeichnete Träger von Quanteninformationen, aber das Fehlen einer
deterministischen * Photon-Photon-Beziehung schränkt ihre Verwendung in Quantencomputern und Netzwerken ein.
Deterministische Systeme * sind Systeme, in denen Prozesse so miteinander verbunden sind, dass eine kausale Abfolge verfolgt werden kann. Mit anderen Worten, dies sind Systeme, bei denen eingehende Daten (z. B. Aufgaben) vollständig ausgehenden Daten entsprechen (Lösungsergebnis).
Diese Studie hätte möglicherweise überhaupt nicht stattgefunden, wenn nicht kürzlich auf dem Gebiet der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie mittels neutral eingefangener Atome Entdeckungen gemacht worden wären, die es ermöglichten,
optische Nichtlinearitäten * im Einzelphotonenmodus zu verwenden.
Die optische Nichtlinearität * wird durch die nichtlineare Antwort des Polarisationsvektors auf den elektrischen Feldvektor der Lichtwelle erklärt. Dies kann mit Lasern beobachtet werden, da sie einen Strahl hoher Lichtintensität erzeugen können.
Optische Nichtlinearität am Beispiel der Erzeugung von Wellen der zweiten Harmonischen
Diese Technik ist mit Problemen bei der Implementierung von Geräten in kompakter Form verbunden, da für ihre Implementierung sehr große und äußerst komplexe Laserfallen zur Konfiguration erforderlich sind. Darüber hinaus arbeiten neutrale Atome mit geringer Bandbreite.
Eine weitere Option, die ebenfalls seit langem außer Acht gelassen wird, ist ein System, das auf nichtlinearer Quantenelektrodynamik basiert. Da solche Systeme ausschließlich im Mikrowellenmodus arbeiten, ist es äußerst problematisch, sie in den optischen Modus zu versetzen.
Andere Forscher beschlossen, fast wörtlich noch tiefer zu graben. Die Verwendung von nanophotonischen Systemen, bei denen Photonen mit Nanometerelementen (in diesem Fall Quantenemittern) interagieren, ist ein sehr attraktiver Weg, um die Nichtlinearität von Einzelphotonen in kompakten Festkörperbauelementen zu realisieren. Derzeit verwenden solche Experimente jedoch Emitter, die durch ein zweistufiges Atomsystem dargestellt werden, das durch einen Kompromiss zwischen Bandbreite und Verzögerung begrenzt ist, was die Implementierung monophoner Schalter unmöglich macht.
Zusammenfassend hatten alle früheren Studien bestimmte positive Ergebnisse, die leider mit bestimmten Problemen bei der Implementierung oder der Interaktion von Systemen verbunden waren.
Grundlagen des StudiumsIn derselben Studie werden ein Einzelphotonenschalter und ein Transistor realisiert, die durch Paarung eines Festkörperquanten-Qubits und eines Nanophotonenresonators implementiert werden.
Eines der Hauptelemente des Experiments ist ein Spin-Qubit, das aus einem einzelnen Elektron in einem geladenen
Quantenpunkt * besteht .
Ein Quantenpunkt * (oder „künstliches Atom“) ist ein Halbleiterteilchen. Aufgrund seiner extrem geringen Größe unterscheiden sich seine optischen und elektronischen Eigenschaften stark von denen größerer Partikel.
Bild Nr. 1aAbbildung
1a zeigt die Struktur des Quantenpunktniveaus, das zwei
Grundzustände * mit entgegengesetzten Spins enthält und einen stabilen Quantenspeicher bildet. Diese Zustände sind wie folgt gekennzeichnet:
| ↑⟩ und
| ↓⟩ .
Der Grundzustand * - in der Quantenmechanik ist es ein stationärer Zustand, in dem sich das Energieniveau und andere Größen mit der geringsten Energie nicht ändern.
Auf dem Bild sind auch
Anregungszustände * markiert, die ein Elektronenpaar und ein
Loch * mit entgegengesetzten Spins enthalten.
Sie werden wie folgt bezeichnet:
| ↑ ↓, ⇑⟩ und
| ↑ ↓, ⇓⟩ .
Anregung * - zeigt den Übergang des Systems vom Grundzustand in einen Zustand mit höherer Energie an.
Loch * ist ein Quasiteilchen, ein Träger einer positiven Ladung, die einer Elementarladung entspricht, in Halbleitern.
Bild # 1bBild
1b ist eine Fotografie eines hergestellten Nanophotonenresonators, aufgenommen mit einem Rasterelektronenmikroskop. Durch Ausnutzung
des Vogt-Effekts * wurde eine spinabhängige Verbindung erhalten, indem ein Magnetfeld (5,5 T) entlang der Ebene der Vorrichtung angelegt wurde.
Vogt-Effekt * - das Auftreten der Doppelbrechung einer elektromagnetischen Welle während ihrer Ausbreitung in Festkörpern.
Durch Messung des kreuzpolarisierten Reflexionsvermögens konnten auch die Stärke der Verbindung (
g ), die Abklingrate der Energie des Nanophotonenresonators (
k ) und der dekohärente Dipolübergang (
y ) bestimmt werden:
- g / 2π=10,7 Altern0,2 GHz
- k / 2π = 35,5 Altern 0,6 GHz
- y / 2π = 3,5 abhängig 0,3 GHz
Darüber hinaus ist
g> k / 4 eine Bedingung, die bestimmt, dass das Gerät in einen starken und stabilen Kommunikationsmodus geschaltet hat.
Bild Nr. 1sDas Bild
1c (oben links) zeigt grafisch die Funktionsprinzipien eines Einzelphotonenschalters und eines Transistors. Wie wir sehen, bleibt der Spin in der "Ab" -Position, wenn der Gate-Impuls keine Photonen enthält. Wenn ein Photon vorhanden ist, geht der Spin in die obere Position. Infolgedessen steuert der Spinzustand den Reflexionskoeffizienten des Nanophotonenresonators, wodurch die Polarisation der Photonen des reflektierten Signals geändert wird.
Die gesamte Impulsfolge ist in Bild
1c (unten) dargestellt. Lassen Sie uns nun zu jedem Schritt etwas detaillierter werden.
- Zu Beginn befindet sich ein Quantenpunkt in einer Überlagerung seines Grundspinzustands. Sie wird nach der Formel (| ↑⟩ + | ↓⟩) / √2 berechnet. Dies wird erreicht, indem ein Initialisierungsimpuls für das optische Spinpumpen angelegt wird, der es in einen "Ab" -Zustand versetzt.
- Als nächstes wird ein optischer Rotationsimpuls angelegt, der eine Spinrotation π / 2 erzeugt.
- Für einige Zeit ( τ ) entwickelt sich das System frei.
Wenn diese Zeit als Ganzzahl + die Hälfte der Spinprozessionsperiode eingestellt ist, geht der Spin in Abwesenheit eines Verschlussphotons in den Zustand (| ↑⟩ - | ↓⟩) / √2 über , und der zweite Rotationsimpuls versetzt den Spin wieder in den Zustand „down“. Wenn das Gate-Photon vom Resonator reflektiert wird, bildet es eine relative π-Phasenverschiebung zwischen dem Aufwärts- und dem Abwärtszustand, die den Spin entlang der Achse ( x ) der Bloch-Kugel * widerspiegelt. Somit übersetzt der zweite Rotationsimpuls den Spin in den "Auf" -Zustand. - Es wird ein anderer Drehimpuls verwendet, der mit dem ersten identisch ist.
- Zwischen diesen beiden Impulsen wird ein Gate-Impuls eingeführt.
Die Blochkugel * - wird in der Quantenmechanik als geometrische Darstellung des Qubit-Zustandsraums verwendet.
- Am Ende des Prozesses wird das Signalfeld vom Hohlraum reflektiert und erfährt eine Polarisationsrotation, die direkt vom Zustand des Spins abhängt.
Bild Nr. 2aDie obige Grafik zeigt die Durchlässigkeit des Signalfeldes, das durch den Polarisator läuft, in Form einer Funktion (τ) in Abwesenheit eines Gate-Impulses.
Der Transmissionskontrast wird durch die Formel bestimmt:
δ = T up - T downWobei T
auf und T
ab die Übertragungskoeffizienten des Signalfeldes zum Zeitpunkt des Übergangs des Spins in den Zustand "auf" (
auf ) und "ab" (
ab ) sind, wobei zwei Drehimpulse verwendet werden, die den Maximal- und Minimalwerten der Durchlässigkeit in der Schwingung entsprechen.
Der konstante Wert beträgt δ = 0,24 ± 0,01. Es unterscheidet sich stark vom idealen aufgrund des ungenauen Spinzustands F = 0,78 ± 0,01 und aufgrund der begrenzten Kooperativität = 2
g 2 /
ky = 1,96 ± 0,19.
Bild Nr. 2bGrafik
2b zeigt den Fall, wenn ein 63-ps-Impuls verwendet wird, der ungefähr 0,21 Photonen pro Impuls enthält, der dem Resonator zugeordnet ist. Um sicherzustellen, dass ein Photon die Durchlässigkeit reguliert, wurde die Zwei-Photonen-Übereinstimmung zwischen dem Gate und den Signalphotonen gemessen.
Grüne Punkte sind die gemessene Durchlässigkeit des Signals aufgrund der Detektion des reflektierten Gatephotons als Funktion von (
τ ).
Die grüne Linie ist die numerische Entsprechung des in Diagramm
2a gezeigten Modells.
Die vertikale Linie (a) in den Graphen
2a und
2b ist die Bezeichnung des Zustands, in dem der Spin während der Periode der freien Entwicklung eine halbe ganzzahlige Anzahl von Umdrehungen um die Bloch-Kugel erfährt. In einer solchen Situation bewirkt das Gate-Photon, dass die Polarisation des Signalfeldes beginnt, sich zu drehen und durch den Polarisator umzulenken.
Die vertikale Linie (b) in den Graphen
2a und
2b ist eine Anzeige eines zweiten Betriebszustands, in dem Schaltvorgänge möglich sind. In dieser Ausführungsform wird das Rückwärtsschaltverhalten beobachtet, wenn das Verschlussphoton die Drehung des Signalfeldes verhindert, wodurch die Durchlässigkeit verringert wird.
In beiden Fällen bewirkt der Gate-Impuls eine Änderung der Durchlässigkeit des Signals um 0,21 ± 0,02. Um das Shutter-Photonen-Ideal zu betrachten, sollte dieser Indikator gleich 0,24 sein, wie in den in Grafik
2a gezeigten Berechnungen bestimmt. Im Falle eines realen Experiments sind die Indikatoren aufgrund der Verwendung eines
gedämpften (mit gedämpfter Oszillations-) Lasers zur Erzeugung eines Gate-Impulses schlechter, der, obwohl unwahrscheinlich, mehrere Photonen enthalten kann.
Bild Nr. 2sDie obige Grafik zeigt die Durchlässigkeit als Funktion der Verzögerungszeit (
τ ), wenn der Durchschnittswert der Signalphotonen pro Impuls auf 4,4 ± 0,5 (oben), 10,9 ± 1,2 (in der Mitte) und 23,0 ± 2,5 (von unten) eingestellt ist.
Grüne Punkte - Durchlässigkeit durch Detektion eines Verschlussphotons.
Orange Quadrate - Durchlässigkeit ohne Verschlussimpuls.
Grüne und orangefarbene Linien - numerische Entsprechung zu theoretischen Modellen aus den Grafiken
2a und
2b .
In allen Fällen wird das Schaltverhalten deutlich beobachtet.
Berechnungen des Schaltkontrasts (
ξ ) ergaben die folgenden Ergebnisse: 0,22 ± 0,03, 0,17 ± 0,02 und 0,12 ± 0,02 gemäß jedem Diagramm.
Das Hauptproblem, das mit dem Schaltkontrast verbunden ist, ist seine Abnahme mit einer Zunahme der Anzahl von Signalphotonen. Dies liegt daran, dass jedes Signalphoton den Spin durch Raman-Lichtstreuung umkehren kann (
Raman-Effekt * ). Dies setzt den Zustand des internen Quantenspeichers zurück.
Der Raman-Effekt * ist die unelastische Streuung der optischen Strahlung bei Kollision von Partikeln, die zu einer Änderung ihres Zustands, zur Bildung neuer Partikel, zur Umwandlung in andere oder zur Geburt neuer Partikel führt.
Bild Nr. 3In Grafik
3a zeigen blaue Punkte den gemessenen Transmissionskontrast, wenn kein Gate-Impuls vorliegt, als Funktion der durchschnittlichen Anzahl von Photonen im Signalfeld. Dies ist ein Indikator für den Grad der Selbstumschaltung, der durch ein Signal ohne Verschluss hervorgerufen wird. Die blauen Linien geben die numerische Entsprechung der Daten einer Exponentialfunktion der Form
exp (-N s / N avg ) an , wobei
N avg die durchschnittliche Anzahl von Signalphotonen ist, die zum Ändern der Spinposition benötigt werden. Berechnungen zeigten, dass
N avg = 27,7 ± 8,3.
Eine weitere wichtige Eigenschaft von Transistoren ist der Transmissionskoeffizient (
G ). Grafik
2b (blaue Punkte) zeigt das Wachstum dieses Indikators. Den Forschern gelang es,
G = 3,3 ± 0,4 mit der Anzahl der Photonen
N s = 29,2 ± 3,2 zu erreichen.
Detailliertere Informationen zu dieser Studie sowie Berechnungsmethoden sind in dem Bericht beschrieben, der als Referenz verfügbar ist. Ich empfehle Ihnen dringend, sich vertraut zu machen.NachwortDerzeit ist der Verlust von Photonen das größte Hindernis bei der Implementierung eines vollwertigen Geräts, das auf dieser Studie basiert. Wissenschaftler argumentieren jedoch, dass dieses Problem gelöst werden kann. Nicht er, also andere Wissenschaftler. Derzeit gibt es viele Studien zur Optimierung von Quantengeräten, die auf Photonen basieren.
Diese Studien, einschließlich der heute untersuchten, bilden eine theoretische Grundlage, die durch Experimente gestützt wird. Auf die Theorie folgt immer die praktische Umsetzung. Dies ist jedoch nur möglich, wenn eine kritische Masse an Wissen erreicht ist, die die vollständige Verwirklichung einer Idee ermöglicht.
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