Computadora cuántica: un fotón para gobernar todo

La historia de la tecnología informática, que ahora simplemente llamamos servidor o computadora, comenzó hace muchos siglos. Con el tiempo y el desarrollo de la tecnología, las computadoras han mejorado. Rendimiento mejorado, velocidad e incluso apariencia. Cualquier computadora básicamente implementa ciertas leyes de las ciencias naturales, como la física y la química. Profundizando en cualquiera de estas ciencias, los investigadores están encontrando nuevas y nuevas formas de mejorar los sistemas informáticos. Hoy nos familiarizaremos con un estudio destinado a implementar el uso de fotones en computadoras cuánticas. Vamos

Base teórica

La frase "computadora cuántica" ha dejado de ser impactante, aunque suena a ciencia ficción. Sin embargo, no tiene nada de fantástico, al menos desde un punto de vista literario. Una computadora cuántica explota la superposición cuántica y el entrelazamiento cuántico. En palabras simples, la superposición cuántica es un fenómeno cuando los estados cuánticos de un sistema son mutuamente excluyentes. Si no estamos hablando de partículas, de algo "más grande", entonces podemos mencionar al gato Schrödinger.


En cuanto al enredo cuántico, entonces los estados de dos o más partículas dependen unos de otros. Es decir, hablando de los mismos fotones, si un cambio en el giro de una partícula conduce al hecho de que se vuelve positivo, entonces el segundo automáticamente se vuelve negativo, y viceversa. Al mismo tiempo, al medir el estado de la primera partícula, privamos instantáneamente a la segunda partícula del estado de enredo cuántico.

Una computadora cuántica funciona no con bits, sino con qubits, que difieren de los primeros en que pueden estar simultáneamente en dos estados: 0 y 1. Esto le permite procesar la información mucho más rápido.

Con los fotones, todo es un poco más fácil. El fotón es una "partícula de luz", si hablamos muy exagerado. Una definición más científica es una partícula elemental de radiación electromagnética, capaz de transferir la interacción electromagnética.

Reverso de la moneda

Los fotones son excelentes portadores de información cuántica, pero la falta de una relación determinista * fotón-fotón limita su uso en computadoras y redes cuánticas.

Los sistemas deterministas * son sistemas en los que los procesos están interconectados de tal manera que se puede rastrear una secuencia causal. En otras palabras, estos son sistemas donde los datos entrantes (por ejemplo, tareas) corresponden totalmente a los datos salientes (resultado de la solución).

Este estudio podría no haber tenido lugar si no hubiera sido por descubrimientos recientes en el campo de la interacción de la materia de la luz por medio de átomos atrapados neutros, lo que permitió utilizar no linealidades ópticas * en el modo de fotón único.

La no linealidad óptica * se explica por la respuesta no lineal del vector de polarización al vector de campo eléctrico de la onda de luz. Esto se puede observar con láser, ya que pueden generar un haz de alta intensidad de luz.

No linealidad óptica utilizando el ejemplo de la generación de una segunda onda armónica.

Esta técnica está asociada con problemas en la implementación de dispositivos en una forma compacta, ya que su implementación requiere trampas láser de gran tamaño y extremadamente complejas para su configuración. Además, los átomos neutros funcionan con poco ancho de banda.

Otra opción, que también se ha dejado de lado durante mucho tiempo, es un sistema basado en la electrodinámica cuántica no lineal. Dado que tales sistemas funcionan exclusivamente en el modo de microondas, ponerlos en modo óptico es extremadamente problemático.

Otros investigadores decidieron cavar aún más profundo, casi literalmente. El uso de sistemas nanofotónicos en los que los fotones interactúan con elementos nanométricos (en este caso, emisores cuánticos) es una forma muy atractiva de lograr la no linealidad de un solo fotón en dispositivos compactos de estado sólido. Sin embargo, por ahora, tales experimentos usan emisores, que están representados por un sistema atómico de dos niveles, limitado por un compromiso entre el ancho de banda y el retraso, lo que hace imposible la implementación de interruptores monofónicos.

Como conclusión, todos los estudios anteriores tuvieron ciertos resultados positivos, que, desafortunadamente, se asociaron con ciertos problemas de implementación o la interacción de los sistemas.

Fundamentos de estudio

En el mismo estudio, se realiza un interruptor de un solo fotón y un transistor que se implementan combinando un qubit cuántico de estado sólido y un resonador de nanofotones.

Uno de los elementos principales del experimento es un qubit de espín, que consiste en un solo electrón en un punto cuántico cargado * .

Un punto cuántico * (o "átomo artificial") es una partícula semiconductora. Debido a su tamaño extremadamente pequeño, sus propiedades ópticas y electrónicas son muy diferentes de las de las partículas más grandes.

Imagen No. 1a

La Figura 1a muestra la estructura del nivel de punto cuántico, que incluye dos estados básicos * con giros opuestos, que forma una memoria cuántica estable. Estos estados se etiquetan de la siguiente manera: | ↑⟩ y | ↓⟩ .

El estado fundamental * : en la mecánica cuántica es un estado estacionario cuando el nivel de energía y otras cantidades no cambian, con la menor energía.

Los estados de excitación * , que contienen un par de electrones y un agujero * con giros opuestos, también están marcados en la imagen. Se designan de la siguiente manera: | ↑ ↓, ⇑⟩ y | ↑ ↓, ⇓⟩ .

Excitación * : indica la transición del sistema del estado fundamental a un estado con mayor energía.

Hole * es una cuasipartícula, un portador de una carga positiva igual a una carga elemental, en semiconductores.

Imagen # 1b

La imagen 1b es una fotografía de un resonador de nanofotones fabricado tomado por un microscopio electrónico de barrido. Al explotar el efecto Vogt * , se obtuvo un compuesto dependiente del espín aplicando un campo magnético (5,5 T) a lo largo del plano del dispositivo.

Efecto Vogt * : la ocurrencia de birrefringencia de una onda electromagnética durante su propagación en sólidos.

Al medir la reflectividad de polarización cruzada, también fue posible determinar la fuerza del compuesto ( g ), la tasa de desintegración de la energía del resonador de nanofotones ( k ) y la transición dipolar decoherente ( y ):

• g /2π=10.7 Alterno 0.2 GHz
• k / 2π = 35,5 alternos 0,6 GHz
• y /2π=3.5 dependiente 0.3 GHz

Además, g> k / 4 es una condición que determina que el dispositivo ha cambiado a un modo de comunicación fuerte y estable.


Imagen No. 1s

La imagen 1c (arriba a la izquierda) muestra gráficamente los principios de funcionamiento de un interruptor de fotón único y un transistor. Como vemos, si el pulso de la puerta no contiene fotones, el giro permanece en la posición "abajo". Si hay un fotón presente, el giro pasa a la posición superior. Como resultado, el estado de rotación controla el coeficiente de reflexión del resonador de nanofotones, cambiando así la polarización de los fotones de la señal reflejada.

La secuencia completa del pulso se muestra en la imagen 1c (abajo). Ahora vamos a detallar un poco más cada paso.

• Al principio hay un punto cuántico en una superposición de su estado de giro de fondo. Se calcula utilizando la fórmula (| ↑⟩ + | ↓⟩) / √2 . Esto se logra mediante la aplicación de un pulso de inicialización para el bombeo de giro óptico, que lo pone en un estado "inactivo".
• A continuación, se aplica un pulso de rotación óptico, creando una rotación de rotación π / 2.
• Durante algún tiempo ( τ ), el sistema se desarrolla libremente.
  
  Si este tiempo se establece como un número entero + la mitad del período de procesión del giro, entonces, en ausencia de un fotón obturador, el giro entrará en el estado (| ↑⟩ - | ↓⟩) / √2 , y el segundo pulso rotacional volverá a colocar el giro en el estado "abajo". Si el fotón de la puerta se refleja desde el resonador, entonces forma un desplazamiento relativo de fase π entre los estados arriba y abajo, que refleja el giro a lo largo del eje ( x ) de la esfera Bloch * . Por lo tanto, el segundo impulso rotacional traducirá el giro al estado "arriba".
• Se utiliza otro impulso rotacional, idéntico al primero.
• Se introduce un pulso de puerta entre estos dos pulsos.

Esfera de Bloch * : en la mecánica cuántica se utiliza como una forma de representación geométrica del espacio de estados qubit.

• Al final del proceso, el campo de señal se refleja desde el resonador y experimenta una rotación de polarización, que depende directamente del estado del giro.

Imagen No. 2a

El gráfico anterior muestra la transmitancia del campo de señal que pasa a través del polarizador, en forma de una función (τ) en ausencia de un pulso de puerta.

El contraste de transmitancia está determinado por la fórmula: δ = T _arriba - T _abajo

Donde T _arriba y T _abajo son los coeficientes de transmisión del campo de señal en los momentos de la transición del giro al estado "arriba" ( arriba ) y "abajo" ( abajo ) usando dos pulsos rotacionales correspondientes a los valores máximo y mínimo de la transmitancia en la oscilación.

El valor constante es δ = 0.24 ± 0.01. Es muy diferente del ideal debido al estado de giro incorrecto F = 0.78 ± 0.01 y debido a la limitada cooperatividad = 2 g ² / ky = 1.96 ± 0.19.


Imagen No. 2b

El gráfico 2b muestra el caso cuando se usa un pulso de 63 ps, que contiene aproximadamente 0.21 fotones por pulso asociado con el resonador. Para asegurarse de que un fotón regula la transmitancia, se midió la coincidencia de dos fotones entre la puerta y los fotones de señal.

Los puntos verdes son la transmitancia medida de la señal debido a la detección del fotón de la puerta reflejada en función de ( τ ).

La línea verde es la correspondencia numérica del modelo que se muestra en el cuadro 2a .

La línea vertical (a) en los gráficos 2a y 2b es la designación del estado cuando el giro sufre un número medio entero de rotaciones alrededor de la esfera de Bloch durante el período de desarrollo libre. En tal situación, el fotón de la puerta hace que la polarización del campo de señal comience a girar y redirigirse a través del polarizador.

La línea vertical (b) en los gráficos 2a y 2b es una visualización de un segundo estado operativo en el que son posibles las operaciones de conmutación. En esta realización, el comportamiento de conmutación inversa se observa cuando el fotón obturador impide la rotación del campo de señal, reduciendo así la transmitancia.

En ambos casos, el pulso de la puerta provoca un cambio en la transmitancia de la señal en 0.21 ± 0.02. Para considerar el fotón del obturador ideal, este indicador debe ser igual a 0.24, como se determina en los cálculos, que se muestran en el gráfico 2a . En el caso de un experimento real, los indicadores son peores debido al uso de un láser atenuado (con oscilación amortiguada) para crear un pulso de puerta que, aunque es poco probable, puede contener varios fotones.


Imagen No. 2s

El gráfico anterior muestra la transmitancia en función del tiempo de retardo ( τ ), cuando el valor promedio de los fotones de señal por pulso se establece en 4.4 ± 0.5 (arriba), 10.9 ± 1.2 (medio), 23.0 ± 2.5 (abajo).

Puntos verdes : transmitancia debido a la detección de un fotón obturador.

Cuadrados naranjas : transmitancia sin pulso del obturador.

Líneas verdes y naranjas : correspondencia numérica con modelos teóricos de los gráficos 2a y 2b .

En todos los casos, el comportamiento de cambio se observa claramente.

Los cálculos del contraste de conmutación ( ξ ) arrojaron los siguientes resultados: 0.22 ± 0.03, 0.17 ± 0.02 y 0.12 ± 0.02, de acuerdo con cada gráfico.

El principal problema asociado con el contraste de conmutación es su disminución con un aumento en el número de fotones de señal. Esto se debe al hecho de que cada fotón de señal puede revertir el giro a través de la dispersión de luz Raman ( efecto Raman * ). Esto restablece el estado de la memoria cuántica interna.

El efecto Raman * es la dispersión inelástica de la radiación óptica cuando las partículas colisionan, lo que conduce a un cambio en su estado, la formación de nuevas partículas, la transformación en otras o el nacimiento de nuevas partículas.

Imagen No. 3

En el gráfico 3a, los puntos azules muestran el contraste de transmisión medido cuando no hay pulso de puerta, en función del número promedio de fotones en el campo de señal. Este es un indicador del grado de auto conmutación provocado por una señal sin obturador. Las líneas azules indican la correspondencia numérica de los datos de una función exponencial de la forma exp (-N _s / N _avg ) , donde N _avg es el número promedio de fotones de señal necesarios para cambiar la posición de giro. Los cálculos mostraron que N _promedio = 27.7 ± 8.3.

Otra propiedad importante de los transistores es el coeficiente de transmisión ( G ). El gráfico 2b (puntos azules) muestra el crecimiento de este indicador. Los investigadores lograron lograr G = 3.3 ± 0.4 con el número de fotones N _s = 29.2 ± 3.2.

En el informe, que se encuentra disponible como referencia, se describe información más detallada sobre este estudio, así como los métodos de cálculo. Le recomiendo que se familiarice.

Epílogo

Por el momento, el mayor obstáculo en el proceso de implementación de un dispositivo completo basado en este estudio es la pérdida de fotones. Sin embargo, los científicos argumentan que este problema puede resolverse. Él no, así que otros científicos. Por el momento, hay muchos estudios destinados a optimizar dispositivos cuánticos, que se basarán en fotones.

Estos estudios, incluido el examinado hoy, acumulan una base teórica, respaldada por la experimentación. La teoría siempre es seguida por la implementación práctica. Pero esto es posible solo cuando se logra una masa crítica de conocimiento que permitirá la plena realización de una idea.

Los primeros pasos ya se han tomado. Sí, estos pasos son pequeños, pero muchos científicos de todo el mundo los toman, cada uno en su propia dirección. Y aunque sus caminos varían, el destino de este camino increíblemente complejo y al mismo tiempo fascinante es uno.

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