क्वांटम कंप्यूटर: एक फोटॉन सभी पर शासन करने के लिए

कंप्यूटर प्रौद्योगिकी का इतिहास, जिसे अब हम केवल एक सर्वर या कंप्यूटर कहते हैं, कई सदियों पहले शुरू हुआ था। समय के साथ और प्रौद्योगिकी के विकास में, कंप्यूटर में सुधार हुआ है। बेहतर प्रदर्शन, गति और यहां तक ​​कि उपस्थिति। कोई भी कंप्यूटर मूल रूप से प्राकृतिक विज्ञान के कुछ नियमों को लागू करता है, जैसे भौतिकी और रसायन विज्ञान। इनमें से किसी भी विज्ञान में गहराई से जाने पर, शोधकर्ता कंप्यूटिंग सिस्टम को बेहतर बनाने के लिए नए और नए तरीके खोज रहे हैं। आज हम क्वांटम कंप्यूटर में फोटॉन के उपयोग को लागू करने के उद्देश्य से एक अध्ययन से परिचित होंगे। चलो चलते हैं।

सैद्धांतिक आधार

वाक्यांश "क्वांटम कंप्यूटर" चौंकाने वाला नहीं रह गया है, हालांकि यह विज्ञान कथा की तरह लगता है। हालांकि, इसमें कुछ भी शानदार नहीं है, कम से कम साहित्यिक दृष्टिकोण से। क्वांटम कंप्यूटर क्वांटम सुपरपोज़िशन और क्वांटम उलझाव का फायदा उठाता है। सरल शब्दों में, क्वांटम सुपरपोजिशन एक घटना है जब एक सिस्टम के क्वांटम राज्य परस्पर अनन्य होते हैं। यदि हम कणों के बारे में बात नहीं कर रहे हैं, कुछ "बड़ा" के बारे में, तो हम बिल्ली श्रोडिंगर का उल्लेख कर सकते हैं।


क्वांटम उलझाव के रूप में, तो दो या दो से अधिक कणों की स्थिति एक दूसरे पर निर्भर करती है। यही है, एक ही फोटोन की बात करते हुए, यदि एक कण के स्पिन में परिवर्तन इस तथ्य की ओर जाता है कि यह सकारात्मक हो जाता है, तो दूसरा स्वचालित रूप से नकारात्मक हो जाता है, और इसके विपरीत। उसी समय, पहले कण की स्थिति को मापकर, हम क्वांटम उलझाव की स्थिति के दूसरे कण को ​​तुरंत वंचित करते हैं।

एक क्वांटम कंप्यूटर बिट्स के साथ नहीं, बल्कि क्विबेट्स के साथ संचालित होता है, जो पहले वाले से अलग होते हैं जिसमें वे एक साथ दो राज्यों में हो सकते हैं - 0 और 1. यह आपको जानकारी को बहुत तेज़ी से संसाधित करने की अनुमति देता है।

फोटॉन के साथ, सब कुछ थोड़ा आसान है। फोटॉन एक "प्रकाश का कण" है, अगर हम बहुत अतिरंजित बोलते हैं। एक अधिक वैज्ञानिक परिभाषा विद्युत चुम्बकीय विकिरण का एक प्राथमिक कण है, जो विद्युत चुम्बकीय बातचीत को स्थानांतरित करने में सक्षम है।

सिक्के का उलटा भाग

फोटॉनों क्वांटम जानकारी के उत्कृष्ट वाहक हैं, लेकिन एक निर्धारक * फोटॉन-फोटॉन संबंध की कमी क्वांटम कंप्यूटर और नेटवर्क में उनके उपयोग को सीमित करती है।

नियतात्मक प्रणालियाँ * ऐसी प्रणालियाँ हैं जिनमें प्रक्रियाओं को इस तरह से परस्पर जोड़ा जाता है कि एक कारण क्रम का पता लगाया जा सके। दूसरे शब्दों में, ये सिस्टम हैं जहां आने वाले डेटा (उदाहरण के लिए, कार्य) पूरी तरह से आउटगोइंग डेटा (समाधान परिणाम) के अनुरूप हैं।

यह अध्ययन बिल्कुल भी नहीं हुआ होगा अगर यह तटस्थ फंसे हुए परमाणुओं के माध्यम से प्रकाश-पदार्थ इंटरैक्शन के क्षेत्र में हाल की खोजों के लिए नहीं था, जिसने एकल-फोटॉन मोड में ऑप्टिकल अरेखीयता * का उपयोग करना संभव बना दिया।

प्रकाशीय तरंग के विद्युत क्षेत्र वेक्टर में ध्रुवीयकरण वेक्टर की अपूर्व प्रतिक्रिया द्वारा ऑप्टिकल अरेखीयता * को समझाया जाता है। यह लेज़रों का उपयोग करते हुए देखा जा सकता है, क्योंकि वे उच्च प्रकाश तीव्रता की किरण उत्पन्न कर सकते हैं।

दूसरी हार्मोनिक वेव जनरेशन के उदाहरण का उपयोग करते हुए ऑप्टिकल नॉनलाइनियरिटी

यह तकनीक एक कॉम्पैक्ट रूप में उपकरणों के कार्यान्वयन में समस्याओं से जुड़ी है, क्योंकि इसके कार्यान्वयन के लिए कॉन्फ़िगर करने के लिए बहुत बड़े आकार और अत्यंत जटिल लेजर जाल की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, तटस्थ परमाणु कम बैंडविड्थ के साथ काम करते हैं।

एक अन्य विकल्प, जिसे लंबे समय तक एक तरफ रख दिया गया है, एक प्रणाली है जो नॉनलाइनियर क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स पर आधारित है। चूंकि इस तरह के सिस्टम विशेष रूप से माइक्रोवेव मोड में काम करते हैं, और उन्हें ऑप्टिकल मोड में डालना बेहद समस्याग्रस्त है।

अन्य शोधकर्ताओं ने भी लगभग खोदने का फैसला किया, लगभग शाब्दिक रूप से। नैनोपोटोनिक प्रणालियों का उपयोग जिसमें फोटॉन नैनोमीटर तत्वों के साथ बातचीत करते हैं (इस मामले में, क्वांटम उत्सर्जक) कॉम्पैक्ट सॉलिड-स्टेट डिवाइसेस में सिंगल-फोटॉन नॉनलाइनरिटी का एहसास करने के लिए एक बहुत ही आकर्षक तरीका है। हालांकि, अब के लिए, इस तरह के प्रयोग एमिटर का उपयोग करते हैं, जो एक दो-स्तरीय परमाणु प्रणाली द्वारा प्रतिनिधित्व किया जाता है, जो बैंडविड्थ और देरी के बीच एक समझौता द्वारा सीमित है, जो मोनोफोनिक स्विच के कार्यान्वयन को असंभव बनाता है।

निष्कर्ष के रूप में, पिछले सभी अध्ययनों के कुछ सकारात्मक परिणाम थे, जो दुर्भाग्य से, कार्यान्वयन की कुछ समस्याओं या प्रणालियों की बातचीत से जुड़े थे।

बेसिक्स का अध्ययन करें

एक ही अध्ययन में, एक एकल-फोटॉन स्विच और एक ट्रांजिस्टर का एहसास होता है जो एक ठोस-राज्य क्वांटम क्वेट और एक नैनोफोटोन गुंजयमान यंत्र को जोड़कर लागू किया जाता है।

प्रयोग के मुख्य तत्वों में से एक एक स्पिन क्वांट है, जिसमें एक आवेशित क्वांटम डॉट * में एकल इलेक्ट्रॉन होता है।

एक क्वांटम डॉट * (या "कृत्रिम परमाणु") एक अर्धचालक कण है। अपने छोटे आकार के कारण, इसके ऑप्टिकल और इलेक्ट्रॉनिक गुण बड़े कणों की तुलना में बहुत अलग हैं।

चित्र संख्या 1 ए

चित्रा 1 ए क्वांटम डॉट स्तर की संरचना को दर्शाता है, जिसमें विपरीत मूल के साथ दो बुनियादी राज्य * शामिल हैं, जो एक स्थिर क्वांटम मेमोरी बनाता है। इन राज्यों को निम्नानुसार लेबल किया जाता है: | follows are और |⟩ follows ।

जमीनी अवस्था * - क्वांटम यांत्रिकी में यह एक स्थिर अवस्था होती है जब ऊर्जा स्तर और अन्य मात्राएँ कम से कम ऊर्जा के साथ बदलती नहीं हैं।

उत्तेजना राज्यों * , जिसमें इलेक्ट्रॉनों की एक जोड़ी होती है और एक छेद * विपरीत स्पिन के साथ, छवि पर भी चिह्नित होते हैं। वे निम्नानुसार नामित हैं : | : ↓, | और | ↓ ⇓⟩, as ।

उत्तेजना * - एक उच्च ऊर्जा के साथ जमीन राज्य से प्रणाली के संक्रमण को इंगित करता है।

होल * अर्धचालकों में एक प्राथमिक आवेश के बराबर धनात्मक आवेश का वाहक, एक चतुर्भुज है।

छवि # 1 बी

इमेज 1 बी एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप द्वारा ली गई गढ़े हुए नैनोपोटोन रेज़ोनेटर की तस्वीर है। Vogt प्रभाव * का दोहन करके, उपकरण के तल के साथ एक चुंबकीय क्षेत्र (5.5 T) को लागू करके एक स्पिन-निर्भर यौगिक प्राप्त किया गया था।

वोग प्रभाव * - ठोसों में इसके प्रसार के दौरान एक विद्युत चुम्बकीय तरंग के द्विभाजन की घटना।

क्रॉस-पोलराइज्ड परावर्तनशीलता को मापने के द्वारा, यौगिक ( जी ) की ताकत, नैनोपोटोन रेज़ोनेटर ( के ) की ऊर्जा की क्षय दर, और विघटित द्विध्रुवीय संक्रमण ( y ) को निर्धारित करना भी संभव था।

• g / 2 . =10.7 आल्टरनेटिव .0.2 गीगाहर्ट्ज़
• के / २। = ३५.५ वैकल्पिक ०६ गीगा
• y / 2 . =3.5 आश्रित0.3 GHz

इसके अलावा, जी> के / 4 एक शर्त है जो निर्धारित करता है कि डिवाइस एक मजबूत और स्थिर संचार मोड में बदल गया है।


चित्र संख्या 1s

छवि 1 सी (शीर्ष बाएं) रेखांकन एकल-फोटॉन स्विच और एक ट्रांजिस्टर के संचालन के सिद्धांतों को दर्शाता है। जैसा कि हम देखते हैं, यदि गेट पल्स में फोटॉन नहीं होते हैं, तो स्पिन "डाउन" स्थिति में रहती है। यदि एक फोटॉन मौजूद है, तो स्पिन ऊपर की स्थिति में जाती है। नतीजतन, स्पिन राज्य नैनोकथन गुंजयमान यंत्र के प्रतिबिंब गुणांक को नियंत्रित करता है, जिससे परावर्तित संकेत के फोटॉनों का ध्रुवीकरण बदल जाता है।

संपूर्ण पल्स अनुक्रम छवि 1 सी (नीचे) में दिखाया गया है। अब चलो प्रत्येक चरण के बारे में थोड़ा और विस्तृत करें।

• शुरुआत में इसके ग्राउंड स्पिन राज्य के एक सुपरपोजिशन में एक क्वांटम डॉट है। यह सूत्र का उपयोग करके गणना की जाती है (! ↑ calculated + |⟩ /) / using2 । यह ऑप्टिकल स्पिन पंपिंग के लिए इनिशियलाइज़ेशन पल्स लगाने से प्राप्त होता है, जो इसे "डाउन" अवस्था में रखता है।
• इसके बाद, एक ऑप्टिकल घूर्णी नाड़ी को लागू किया जाता है, जिससे स्पिन रोटेशन ational / 2 होता है।
• कुछ समय (some) के लिए, सिस्टम स्वतंत्र रूप से विकसित होता है।
  
  यदि यह समय स्पिन जुलूस की अवधि के पूर्णांक + आधे के रूप में सेट किया जाता है, तो शटर फोटॉन की अनुपस्थिति में, स्पिन राज्य में चला जाएगा (! ↑ as - - | ↓ |) / , 2 , और दूसरा घूर्णी नाड़ी स्पिन को "डाउन" स्थिति में वापस डाल देगा। यदि गेट फोटोन को रेज़ोनेटर से परिलक्षित किया जाता है, तो यह अप और डाउन स्टेट्स के बीच एक सापेक्ष shift-चरण शिफ्ट बनाता है, जो बलोच क्षेत्र के अक्ष ( x ) के साथ स्पिन को दर्शाता है। इस प्रकार, दूसरा घूर्णी आवेग स्पिन को "अप" स्थिति में अनुवाद करेगा।
• एक और घूर्णी आवेग का उपयोग किया जाता है, पहले के समान।
• इन दो दालों के बीच एक गेट पल्स पेश किया जाता है।

बलोच क्षेत्र * - क्वांटम यांत्रिकी में क्वेट स्टेट स्पेस के ज्यामितीय प्रतिनिधित्व के एक तरीके के रूप में उपयोग किया जाता है।

• प्रक्रिया के अंत में, संकेत क्षेत्र गुंजयमान यंत्र से परिलक्षित होता है और ध्रुवीकरण के एक रोटेशन से गुजरता है, जो सीधे स्पिन की स्थिति पर निर्भर करता है।

चित्र संख्या 2 ए

ऊपर दिया गया ग्राफ एक गेट पल्स की अनुपस्थिति में एक फ़ंक्शन (absence) के रूप में, ध्रुवीय से गुजरने वाले सिग्नल फ़ील्ड के प्रसारण को दर्शाता है।

संप्रेषण कंट्रास्ट सूत्र द्वारा निर्धारित किया जाता है: _up = टी _अप - टी _डाउन

जहां टी _अप और टी _डाउन स्पिन के संक्रमण के क्षणों में राज्य के "अप" ( अप ) और "डाउन" ( डाउन ) के संचरण गुणांक होते हैं, जो दोलन में अधिकतम और न्यूनतम मूल्यों के अनुरूप दो घूर्णी दालों का उपयोग करते हैं।

निरंतर मान constant = 0.24 δ 0.01 है। यह गलत स्पिन स्टेट F = 0.78 ± 0.01 के कारण और सीमित सहकारीता के कारण = 2 g ² / ky = 1.96 19 0.19 के आदर्श से बहुत अलग है।


चित्र संख्या 2 बी

ग्राफ़ 2 बी उस मामले को दिखाता है जब 63-पीएस पल्स का उपयोग किया जाता है, जिसमें रेज़ोनेटर से जुड़ी प्रति पल्स लगभग 0.21 फोटोन होते हैं। यह सुनिश्चित करने के लिए कि एक फोटॉन संप्रेषण को नियंत्रित करता है, गेट और सिग्नल फोटोन के बीच दो-फोटॉन संयोग को मापा गया।

हरे रंग के डॉट्स ( τ ) के एक फ़ंक्शन के रूप में परिलक्षित गेट फोटॉन का पता लगाने के कारण संकेत के मापा संप्रेषण हैं।

ग्रीन लाइन चार्ट 2 ए पर प्रदर्शित मॉडल का संख्यात्मक पत्राचार है।

ग्राफ 2a और 2b में वर्टिकल लाइन (ए) राज्य का पदनाम है जब स्पिन मुक्त विकास की अवधि के दौरान बलोच क्षेत्र के चारों ओर घुमावों के आधे-पूर्णांक की संख्या से गुजरता है। ऐसी स्थिति में, गेट फोटॉन सिग्नल क्षेत्र के ध्रुवीकरण का कारण बनता है जो ध्रुवीकरण के माध्यम से घूमना और पुनर्निर्देशित करना शुरू कर देता है।

ग्राफ 2a और 2b में वर्टिकल लाइन (b) एक दूसरे ऑपरेशनल स्टेट का डिस्प्ले है जिसमें स्विचिंग ऑपरेशन संभव है। इस अवतार में, रिवर्स स्विचिंग व्यवहार तब देखा जाता है जब शटर फोटॉन सिग्नल फ़ील्ड के रोटेशन को रोकता है, जिससे पारगमन कम हो जाता है।

दोनों मामलों में, गेट पल्स सिग्नल के संप्रेषण में 0.21 gate 0.02 द्वारा परिवर्तन का कारण बनता है। शटर फोटॉन आदर्श पर विचार करने के लिए, यह सूचक 0.24 के बराबर होना चाहिए, जैसा कि गणना में निर्धारित किया गया है, ग्राफ 2 ए में दिखाया गया है। एक वास्तविक प्रयोग के मामले में, संकेतक एक गेट पल्स बनाने के लिए एक क्षीणन (नम आंसू के साथ) लेजर के उपयोग के कारण खराब होते हैं, जो कि, हालांकि, संभावना नहीं है, इसमें कई फोटोन हो सकते हैं।


चित्र संख्या 2s

ऊपर दिया गया ग्राफ विलंबित समय (when) के एक फ़ंक्शन के रूप में प्रसारण को दर्शाता है, जब पल्स प्रति सिग्नल फोटोन का औसत मूल्य 4.4 (0.5 (शीर्ष), 10.9 (1.2 (मध्य), 23.0 ± 2.5 (नीचे) निर्धारित होता है।

ग्रीन डॉट्स - एक शटर फोटॉन का पता लगाने के कारण संप्रेषण।

नारंगी वर्ग - शटर पल्स के बिना संप्रेषण।

हरी और नारंगी रेखाएँ - रेखांकन 2a और 2b से सैद्धांतिक मॉडल के लिए संख्यात्मक पत्राचार।

सभी मामलों में, स्विचिंग व्यवहार स्पष्ट रूप से मनाया जाता है।

स्विचिंग कंट्रास्ट ( ξ ) की गणना ने निम्नलिखित परिणाम दिए: प्रत्येक ग्राफ के अनुसार 0.22, 0.03, 0.17 2 0.02, और 0.12 0. 0.02।

स्विचिंग कॉन्ट्रास्ट से जुड़ी मुख्य समस्या सिग्नल फोटोन की संख्या में वृद्धि के साथ इसकी कमी है। यह इस तथ्य के कारण है कि प्रत्येक सिग्नल फोटॉन प्रकाश के रमन बिखरने ( रमन प्रभाव * ) के माध्यम से स्पिन को उलट सकता है। यह आंतरिक क्वांटम मेमोरी की स्थिति को रीसेट करता है।

रमन प्रभाव * कणों के आपस में टकराने पर ऑप्टिकल रेडिएशन का इनैलास्टिक बिखरना है, जो उनके राज्य में बदलाव, नए कणों के निर्माण, दूसरों में परिवर्तन या नए कणों के जन्म का कारण बनता है।

चित्र संख्या 3

ग्राफ 3 ए में, ब्लू डॉट्स सिग्नल ट्रांसमिशन में फोटॉनों की औसत संख्या के एक फ़ंक्शन के रूप में, गेट पल्स नहीं होने पर मापा ट्रांसमिशन कंट्रास्ट दिखाते हैं। यह एक शटर के बिना एक संकेत द्वारा उकसाए गए स्व-स्विचिंग की डिग्री का एक संकेतक है। नीली रेखाएं फॉर्म एक्सप (-N _s / N _avg ) के एक घातीय कार्य के डेटा के संख्यात्मक पत्राचार को इंगित करती हैं, जहां एन _{एवीजी} स्पिन की स्थिति को बदलने के लिए आवश्यक सिग्नल फोटोन की औसत संख्या है। गणना से पता चला है कि एन _{एवीजी} = 27.7 showed 8.3।

ट्रांजिस्टर की एक अन्य महत्वपूर्ण संपत्ति ट्रांसमिशन गुणांक ( जी ) है। ग्राफ 2 बी (नीला डॉट्स) इस सूचक की वृद्धि को दर्शाता है। शोधकर्ताओं ने G = 3.3 with 0.4 फोटॉन एन = 29.2। 3.2 की संख्या के साथ हासिल करने में कामयाब रहे।

इस अध्ययन के बारे में अधिक विस्तृत जानकारी, साथ ही गणना के तरीके रिपोर्ट में वर्णित हैं, संदर्भ द्वारा उपलब्ध हैं। मैं आपको खुद को परिचित करने के लिए अत्यधिक सलाह देता हूं।

उपसंहार

फिलहाल, इस अध्ययन के आधार पर एक पूर्ण डिवाइस को लागू करने की प्रक्रिया में सबसे बड़ी बाधा फोटोन का नुकसान है। हालांकि, वैज्ञानिकों का तर्क है कि इस समस्या को हल किया जा सकता है। उसे नहीं, इसलिए अन्य वैज्ञानिकों को। फिलहाल, क्वांटम उपकरणों के अनुकूलन के उद्देश्य से कई अध्ययन हैं, जो फोटॉन पर आधारित होंगे।

इन अध्ययनों, जिनमें से एक की आज जांच की गई है, एक सैद्धांतिक आधार जमा करते हैं, जो प्रयोग द्वारा समर्थित है। थ्योरी हमेशा व्यावहारिक कार्यान्वयन के बाद होती है। लेकिन यह तभी संभव है जब ज्ञान का एक महत्वपूर्ण द्रव्यमान हासिल किया जाए जो एक विचार की पूर्ण प्राप्ति की अनुमति देगा।

पहले कदम उठाए जा चुके हैं। हां, ये चरण छोटे हैं, लेकिन दुनिया भर में कई वैज्ञानिक उन्हें लेते हैं, प्रत्येक अपनी दिशा में। और यद्यपि उनके रास्ते अलग-अलग हैं, इस अविश्वसनीय रूप से जटिल और एक ही समय में आकर्षक पथ एक है।

हमारे साथ बने रहने के लिए धन्यवाद। क्या आप हमारे लेख पसंद करते हैं? अधिक दिलचस्प सामग्री देखना चाहते हैं? एक आदेश रखकर या अपने दोस्तों को इसकी अनुशंसा करके हमें समर्थन दें, एंट्री-लेवल सर्वरों के अनूठे एनालॉग पर हैबर उपयोगकर्ताओं के लिए 30% छूट जो हमने आपके लिए ईजाद की है: VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 कोर) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps से पूरा सच $ 20 या सर्वर को कैसे विभाजित करें? (विकल्प RAID1 और RAID10 के साथ उपलब्ध हैं, 24 कोर तक और 40GB DDR4 तक)।

डेल R730xd 2 बार सस्ता? केवल हमारे पास 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 टीवी 249 डॉलर में नीदरलैंड और यूएसए से है! इन्फ्रास्ट्रक्चर Bldg का निर्माण कैसे करें के बारे में पढ़ें । एक पैसा के लिए 9,000 यूरो की लागत डेल R730xd E5-2650 v4 सर्वर का उपयोग कर वर्ग?