Sejarah teknologi komputer, yang sekarang kita sebut server atau komputer, dimulai berabad-abad yang lalu. Seiring waktu dan perkembangan teknologi, komputer telah meningkat. Peningkatan kinerja, kecepatan, dan bahkan penampilan. Komputer apa pun pada dasarnya menerapkan hukum-hukum tertentu dari ilmu alam, seperti fisika dan kimia. Menuju lebih dalam pada ilmu-ilmu ini, para peneliti menemukan cara-cara baru dan baru untuk meningkatkan sistem komputasi. Hari ini kita akan berkenalan dengan studi yang bertujuan mengimplementasikan penggunaan foton di komputer kuantum. Ayo pergi.
Dasar teoretisUngkapan "komputer kuantum" tidak lagi mengejutkan, meskipun kedengarannya seperti fiksi ilmiah. Namun, tidak ada yang fantastis di dalamnya, setidaknya dari sudut pandang sastra. Komputer kuantum mengeksploitasi superposisi kuantum dan keterikatan kuantum. Dengan kata sederhana, superposisi kuantum adalah sebuah fenomena ketika keadaan kuantum suatu sistem saling eksklusif. Jika kita tidak berbicara tentang partikel, tentang sesuatu yang "lebih besar", maka kita dapat menyebutkan kucing Schrödinger.
Sedikit tentang kucing SchrödingerEksperimen teoretis ini dijelaskan oleh Schrödinger sendiri dalam detail yang cukup dan sulit, sampai batas tertentu. Versi yang disederhanakan adalah:
Ada kotak baja. Di dalam kotak ada kucing dan mekanisme. Mekanismenya adalah penghitung Geiger dengan jumlah zat radioaktif yang sangat sedikit. Zat ini sangat kecil sehingga dalam 1 jam 1 atom dapat membusuk (atau mungkin tidak membusuk). Jika ini terjadi, maka tabung pembacaan meter melepaskan dan relay perjalanan, melepaskan palu yang menggantung di atas bola racun. Labu pecah, dan racun membunuh kucing.
Ilustrasi percobaanSekarang penjelasan. Kami tidak melihat apa yang terjadi di dalam kotak, kami tidak dapat memengaruhi proses bahkan oleh pengamatan kami. Sampai kita membuka kotak itu, kita tidak tahu apakah kucing itu hidup atau mati. Jadi, melebih-lebihkan, kita dapat mengatakan bahwa bagi kita kucing di dalam kotak ada di dua negara pada saat yang sama: dia hidup dan mati.
Eksperimen yang sangat menarik mendorong batas-batas fisika kuantum.
Paradoks Wigner dapat dianggap bahkan lebih tidak biasa. Untuk semua variabel percobaan di atas, beberapa teman asisten laboratorium ditambahkan, yang melakukan percobaan ini. Ketika dia membuka kotak itu dan mengetahui keadaan pasti kucing itu, temannya, yang berada di tempat yang berbeda, tidak mengetahui keadaan ini. Yang pertama harus memberi tahu yang kedua bahwa kucing itu hidup atau mati. Jadi, sampai semua orang di alam semesta mengetahui keadaan pasti hewan malang itu, ia akan dianggap mati dan hidup pada saat yang sama.
Adapun keterikatan kuantum, maka keadaan dua atau lebih partikel bergantung satu sama lain. Artinya, berbicara tentang foton yang sama, jika perubahan putaran satu partikel mengarah pada fakta bahwa ia menjadi positif, maka yang kedua secara otomatis menjadi negatif, dan sebaliknya. Pada saat yang sama, dengan mengukur keadaan partikel pertama, kita langsung menghilangkan partikel kedua dari keadaan keterikatan kuantum.
Komputer kuantum beroperasi bukan dengan bit, tetapi dengan qubit, yang berbeda dari yang pertama karena dapat secara bersamaan berada di dua status - 0 dan 1. Ini memungkinkan Anda memproses informasi lebih cepat.
Dengan foton, semuanya sedikit lebih mudah. Foton adalah "partikel cahaya", jika kita berbicara sangat berlebihan. Definisi yang lebih ilmiah adalah partikel elementer dari radiasi elektromagnetik, yang mampu mentransfer interaksi elektromagnetik.
Sisi terbalik dari koinFoton adalah pembawa informasi kuantum yang sangat baik, tetapi kurangnya hubungan
deterministik * foton-foton membatasi penggunaannya dalam komputer dan jaringan kuantum.
Sistem deterministik * adalah sistem di mana proses saling berhubungan sedemikian rupa sehingga urutan sebab-akibat dapat dilacak. Dengan kata lain, ini adalah sistem di mana data yang masuk (misalnya, tugas) sepenuhnya sesuai dengan data keluar (hasil solusi).
Studi ini mungkin tidak terjadi sama sekali jika bukan karena penemuan baru-baru ini di bidang interaksi materi cahaya melalui atom netral yang terperangkap, yang memungkinkan untuk menggunakan
nonlinier optik * dalam mode foton tunggal.
Nonlinier optik * dijelaskan oleh respons nonlinier dari vektor polarisasi ke vektor medan listrik dari gelombang cahaya. Ini dapat diamati menggunakan laser, karena mereka dapat menghasilkan sinar dengan intensitas cahaya yang tinggi.
Nonlinier optik menggunakan contoh generasi gelombang harmonik kedua
Teknik ini dikaitkan dengan masalah dalam implementasi perangkat dalam bentuk yang ringkas, karena implementasinya membutuhkan perangkap laser berukuran sangat besar dan sangat rumit untuk dikonfigurasikan. Selain itu, atom netral bekerja dengan bandwidth rendah.
Pilihan lain, yang juga telah dikesampingkan untuk waktu yang lama, adalah sistem yang didasarkan pada elektrodinamika kuantum nonlinear. Karena sistem seperti itu bekerja secara eksklusif dalam mode gelombang mikro, dan menempatkannya dalam mode optik sangat bermasalah.
Peneliti lain memutuskan untuk menggali lebih dalam, hampir secara harfiah. Penggunaan sistem nanofotonik di mana foton berinteraksi dengan elemen nanometer (dalam hal ini, penghasil kuantum) adalah cara yang sangat menarik untuk mewujudkan nonlinearitas foton tunggal dalam perangkat kondisi padat. Namun, untuk saat ini, eksperimen semacam itu menggunakan penghasil emisi, yang diwakili oleh sistem atom dua tingkat, dibatasi oleh kompromi antara bandwidth dan penundaan, yang membuat implementasi sakelar monofonik menjadi tidak mungkin.
Sebagai kesimpulan, semua penelitian sebelumnya memiliki hasil positif tertentu, yang, sayangnya, dikaitkan dengan masalah implementasi atau interaksi sistem tertentu.
Dasar-dasar belajarDalam studi yang sama, saklar foton tunggal dan transistor direalisasikan yang diimplementasikan dengan memasangkan qubit kuantum keadaan-padat dan resonator nanofoton.
Salah satu elemen utama dari percobaan ini adalah spin qubit, yang terdiri dari satu elektron dalam
titik kuantum bermuatan
* .
Titik kuantum * (atau "atom buatan") adalah partikel semikonduktor. Karena ukurannya yang sangat kecil, sifat optik dan elektroniknya sangat berbeda dari partikel yang lebih besar.
Gambar No. 1aGambar
1a menunjukkan struktur level titik kuantum, yang mencakup dua
keadaan dasar * dengan putaran berlawanan, yang membentuk memori kuantum yang stabil. Negara-negara ini diberi label sebagai berikut:
| ↑⟩ dan
| ↓⟩ .
Keadaan dasar * - dalam mekanika kuantum adalah keadaan diam ketika tingkat energi dan jumlah lainnya tidak berubah, dengan energi paling sedikit.
Status eksitasi * , yang berisi sepasang elektron dan satu
lubang * dengan putaran berlawanan, juga ditandai pada gambar.
Mereka ditunjuk sebagai berikut:
| ↑ ↓, ⇑⟩ dan
| ↑ ↓, ⇓⟩ .
Eksitasi * - menunjukkan transisi sistem dari kondisi dasar ke kondisi dengan energi lebih tinggi.
Lubang * adalah partikel semu, pembawa muatan positif sama dengan muatan elementer, dalam semikonduktor.
Gambar # 1bGambar
1b adalah foto resonator nanofoton buatan yang diambil oleh mikroskop elektron pemindaian. Dengan mengeksploitasi
efek Vogt * , senyawa yang bergantung pada putaran diperoleh dengan menerapkan medan magnet (5,5 T) di sepanjang bidang perangkat.
Efek Vogt * - terjadinya birefringence dari gelombang elektromagnetik selama perambatannya dalam padatan.
Dengan mengukur reflektifitas yang dipolarisasi silang, juga dimungkinkan untuk menentukan kekuatan senyawa (
g ), laju peluruhan energi resonator nanofoton (
k ), dan transisi dipol dekoheren (
y ):
- g /2π=10.7 Altern0.2 GHz
- k / 2π = 35,5 Alternatif0,6 GHz
- y /2π=3.5 dependent0.3 GHz
Selain itu,
g> k / 4 adalah suatu kondisi yang menentukan bahwa perangkat telah beralih ke mode komunikasi yang kuat dan stabil.
Gambar No. 1sGambar
1c (kiri atas) menunjukkan secara grafis prinsip-prinsip pengoperasian sakelar foton tunggal dan transistor. Seperti yang kita lihat, jika pulsa gerbang tidak mengandung foton, maka putarannya tetap pada posisi "turun". Jika ada satu foton, maka putaran masuk ke posisi atas. Akibatnya, keadaan putaran mengontrol koefisien pantulan resonator nanofoton, sehingga mengubah polarisasi foton dari sinyal yang dipantulkan.
Seluruh urutan pulsa ditunjukkan pada gambar
1c (bawah). Sekarang mari kita sedikit lebih rinci tentang setiap langkah.
- Pada awalnya ada titik kuantum dalam superposisi dari kondisi putaran tanahnya. Itu dihitung menggunakan rumus (| ↑⟩ + | ↓⟩) / √2 . Ini dicapai dengan menerapkan pulsa inisialisasi untuk pemompaan spin optik, yang menempatkannya dalam keadaan "turun".
- Selanjutnya, pulsa rotasi optik diterapkan, menciptakan rotasi putaran π / 2.
- Untuk beberapa waktu ( τ ), sistem berkembang dengan bebas.
Jika waktu ini ditetapkan sebagai bilangan bulat + setengah dari periode proses putaran, maka tanpa adanya rana foton, putaran akan masuk ke keadaan (| ↑⟩ - | ↓⟩) / √2 , dan pulsa rotasi kedua akan menempatkan putaran kembali ke keadaan "turun". Jika foton gerbang dipantulkan dari resonator, maka ia membentuk pergeseran fase-relative relatif antara keadaan naik dan turun, yang mencerminkan putaran di sepanjang sumbu ( x ) bola Bloch * . Dengan demikian, impuls rotasi kedua akan menerjemahkan putaran ke dalam kondisi "naik". - Impuls rotasi lain digunakan, identik dengan yang pertama.
- Gerbang pulsa diperkenalkan antara dua pulsa ini.
Bloch sphere * - dalam mekanika kuantum digunakan sebagai cara representasi geometris ruang keadaan qubit.
- Pada akhir proses, bidang sinyal dipantulkan dari resonator dan mengalami rotasi polarisasi, yang secara langsung tergantung pada keadaan putaran.
Gambar No. 2aGrafik di atas menunjukkan transmitansi medan sinyal yang melewati polarizer, dalam bentuk fungsi (τ) tanpa adanya pulsa gerbang.
Kontras transmitansi ditentukan oleh rumus:
δ = T up - T downDi mana T
naik dan
turun adalah koefisien transmisi bidang sinyal pada saat-saat transisi putaran ke keadaan "naik" (
naik ) dan "turun" (
turun ) menggunakan dua pulsa rotasi yang sesuai dengan nilai maksimum dan minimum dari transmitansi dalam osilasi.
Nilai konstannya adalah δ = 0,24 ± 0,01. Ini sangat berbeda dari yang ideal karena keadaan putaran yang tidak akurat F = 0,78 ± 0,01 dan karena kooperativitas terbatas = 2
g 2 /
ky = 1,96 ± 0,19.
Gambar No. 2bGrafik
2b menunjukkan case ketika pulsa 63-ps digunakan, berisi sekitar 0,21 foton per pulsa yang terkait dengan resonator. Untuk memastikan bahwa satu foton mengatur transmitansi, dua foton kebetulan antara gerbang dan foton sinyal diukur.
Titik hijau adalah transmitansi sinyal yang diukur karena pendeteksian foton gerbang pantul sebagai fungsi dari (
τ ).
Garis hijau adalah korespondensi numerik dari model yang ditampilkan pada bagan
2a .
Garis vertikal (a) dalam grafik
2a dan
2b adalah sebutan keadaan ketika putaran mengalami jumlah setengah bilangan bulat di sekitar bola Bloch selama periode pengembangan bebas. Dalam situasi seperti itu, foton gerbang menyebabkan polarisasi bidang sinyal untuk mulai berputar dan mengarahkan kembali melalui polarizer.
Garis vertikal (b) dalam grafik
2a dan
2b adalah tampilan dari keadaan operasi kedua di mana operasi switching dimungkinkan. Dalam perwujudan ini, perilaku switching terbalik diamati ketika foton rana mencegah rotasi medan sinyal, sehingga mengurangi transmitansi.
Dalam kedua kasus, pulsa gerbang menyebabkan perubahan transmitansi sinyal sebesar 0,21 ± 0,02. Untuk mempertimbangkan rana foton yang ideal, indikator ini harus sama dengan 0,24, sebagaimana ditentukan dalam perhitungan, ditunjukkan dalam grafik
2a . Dalam kasus percobaan nyata, indikator lebih buruk karena penggunaan laser yang
dilemahkan (dengan osilasi teredam) untuk membuat pulsa gerbang, yang, meskipun tidak mungkin, dapat mengandung beberapa foton.
Gambar No. 2sGrafik di atas menunjukkan transmitansi sebagai fungsi dari waktu tunda (
τ ), ketika nilai rata-rata foton sinyal per pulsa diatur ke 4,4 ± 0,5 (atas), 10,9 ± 1,2 (tengah), 23,0 ± 2,5 (bawah).
Green dots - transmitansi karena deteksi rana foton.
Kotak oranye - transmitansi tanpa pulsa rana.
Garis hijau dan oranye - korespondensi numerik dengan model teoritis dari grafik
2a dan
2b .
Dalam semua kasus, perilaku switching jelas diamati.
Perhitungan kontras switching (
ξ ) memberikan hasil sebagai berikut: 0,22 ± 0,03, 0,17 ± 0,02, dan 0,12 ± 0,02, sesuai dengan masing-masing grafik.
Masalah utama yang terkait dengan kontras switching adalah penurunannya dengan peningkatan jumlah foton sinyal. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa setiap foton sinyal dapat membalikkan putaran melalui hamburan cahaya
Raman (
efek Raman * ). Ini mengatur ulang keadaan memori kuantum internal.
Efek Raman * adalah hamburan radiasi optik yang tidak elastis ketika partikel bertabrakan, yang mengarah pada perubahan keadaannya, pembentukan partikel baru, transformasi menjadi partikel lain, atau kelahiran partikel baru.
Gambar No. 3Dalam grafik
3a, titik-titik biru menunjukkan kontras transmisi yang diukur ketika tidak ada pulsa gerbang, sebagai fungsi dari jumlah rata-rata foton dalam bidang sinyal. Ini adalah indikator tingkat swasembada yang dipicu oleh sinyal tanpa rana. Garis biru menunjukkan korespondensi numerik dari data fungsi eksponensial dari bentuk
exp (-N s / N rata-rata ) , di mana
N rata -
rata adalah jumlah rata-rata foton sinyal yang diperlukan untuk mengubah posisi putaran. Perhitungan menunjukkan bahwa
rata-rata = 27,7 ± 8,3.
Properti penting lain dari transistor adalah koefisien transmisi (
G ). Grafik
2b (titik biru) menunjukkan pertumbuhan indikator ini. Para peneliti berhasil mencapai
G = 3,3 ± 0,4 dengan jumlah foton Ns = 29,2 ± 3,2.
Informasi lebih rinci mengenai penelitian ini, serta metode perhitungan dijelaskan dalam laporan, tersedia dengan referensi. Saya sangat menyarankan Anda untuk membiasakan diri.EpilogSaat ini, kendala terbesar dalam proses penerapan perangkat lengkap berdasarkan studi ini adalah hilangnya foton. Namun, para ilmuwan berpendapat bahwa masalah ini dapat diselesaikan. Bukan dia, jadi ilmuwan lain. Saat ini, ada banyak penelitian yang bertujuan untuk mengoptimalkan perangkat kuantum, yang akan didasarkan pada foton.
Studi-studi ini, termasuk yang diteliti hari ini, mengakumulasikan landasan teori, yang didukung oleh eksperimen. Teori selalu diikuti oleh implementasi praktis. Tetapi ini hanya mungkin ketika massa pengetahuan kritis tercapai yang akan memungkinkan realisasi penuh dari suatu ide.
Langkah pertama sudah diambil. Ya, langkah-langkah ini kecil, tetapi banyak ilmuwan di seluruh dunia mengambilnya, masing-masing ke arah mereka sendiri. Dan meskipun jalan mereka berbeda-beda, tujuan dari jalan yang sangat rumit dan sekaligus menarik ini adalah satu.
Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda,
diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang
Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?