Mari kita bicara tentang teknologi yang dapat berkontribusi pada meluasnya penggunaan mesin kuantum, setara kuantum
iblis Maxwell, dan teleportasi
gerbang kuantum .
/ foto Wikimedia PDSecara singkat tentang paradoks Maxwell
Setan Maxwell adalah makhluk fiksi yang ditemukan oleh fisikawan James Clerk Maxwell pada abad ke-19 untuk menggambarkan paradoks
hukum kedua termodinamika .
Maxwell mengusulkan eksperimen pemikiran berikut. Wadah diambil dan dibagi oleh partisi menjadi dua bagian. Kemudian diisi secara acak dengan molekul gas "dingin" dan "panas". Molekul-molekul ini dicampur dan bergerak dengan kecepatan yang berbeda.
Sebuah lubang dibuat di septum dengan alat yang memungkinkan molekul panas untuk berpindah dari kiri ke kanan, dan molekul dingin dari kanan ke kiri. Perangkat ini disebut iblis Maxwell. Akibatnya, setengah dari tangki dipanaskan, dan yang kedua didinginkan tanpa konsumsi energi.
Paradoksnya adalah bahwa setelah molekul "mengambil tempat" di dalam tangki, entropi sistem kurang dari pada keadaan aslinya. Ini melanggar hukum kedua termodinamika, yang menyatakan bahwa
entropi dari sistem yang terisolasi tidak dapat berkurang, tetapi hanya meningkatkan atau tetap sama.
Pertama, fisikawan memutuskan bahwa iblis Maxwell dapat diidentifikasi dengan mesin gerakan abadi, karena ia mengambil energi “entah dari mana”. Tapi kemudian terbukti bahwa setan itu juga membuang-buang energi untuk menyortir molekul. Ini berarti bahwa energi muncul dari pekerjaan iblis, dan hukum-hukum termodinamika tidak dilanggar. Paradoks ini diselesaikan oleh Leo Sylard pada tahun 1929.
Mereka telah berusaha sejak lama untuk menerapkan konsep iblis Maxwell ke dalam praktik. Sejumlah peneliti bahkan berhasil mencapai kesuksesan tertentu. Sebagai contoh, pada tahun 2010, peneliti Jepang
mengembangkan model elektromekanis dari
mesin Sillard , yang dianggap sebagai jenis iblis Maxwell. Ini menggunakan bola polystyrene (yang merupakan molekul dalam sistem asli) mengambang di lingkaran dalam larutan buffer. Peran iblis dimainkan oleh tegangan listrik, mendorong bola cahaya untuk mengubah arah gerakan mereka.
Tiga tahun lalu, iblis Maxwell diimplementasikan sebagai transistor elektron tunggal dengan superkonduktor aluminium. Namun, para ilmuwan tidak dapat menghidupkan konsep ini dengan sejumlah besar atom atau molekul. Sampai saat ini.
Setan kuantum: apa intinya
Pada bulan September tahun ini, para peneliti dari University of Pennsylvania berhasil
melakukan kuantum skala besar yang setara dengan eksperimen pemikiran. Mereka dengan cara khusus
mengelompokkan susunan berbeda dari sejumlah besar atom cesium, mengurangi entropi sistem.
Untuk ini, tim spesialis menggunakan
perangkap optik yang disebut dengan tiga pasang laser. Ini memungkinkan Anda untuk menangkap atom dan mendinginkannya pada suhu sangat rendah (hanya beberapa derajat di atas nol mutlak).
Sebagai bagian dari percobaan, para peneliti menggunakan laser dengan panjang gelombang 839 nm untuk membentuk kisi 3D optik 5x5x5 dan menempatkan atom cesium di dalamnya. Awalnya, atom-atom ini dalam keadaan dengan
bilangan kuantum orbital (l) sama dengan 4 dan
bilangan kuantum magnetik (m) sama dengan −4 dan didistribusikan secara acak di atas kisi. Namun, pada akhir percobaan, mereka membentuk subkisi ukuran 5x5x2 atau 4x4x3, yang mengurangi entropi sistem lebih dari dua kali.
Untuk memindahkan atom di sepanjang kisi-kisi, para ilmuwan mengubah keadaannya (mengubah bilangan kuantumnya) dan mengganti polarisasi salah satu berkas cahaya. Akibatnya, atom di berbagai negara mulai "menolak" dan bergerak di sepanjang kisi. Ketika perlu untuk "memperbaiki" posisi atom, bilangan kuantumnya kembali ke keadaan semula.
Mengapa pengembangan bermanfaat
Pengurangan entropi adalah opsi yang menjanjikan untuk membuat qubit. Menggunakan atom netral untuk komputasi kuantum adalah tugas yang sulit. Mereka tidak memiliki muatan listrik, sehingga sulit untuk membuat mereka masuk ke keadaan
keterikatan kuantum , di mana keadaan benda bergantung satu sama lain.
Penurunan entropi dalam perangkap optik atom
memungkinkan seseorang untuk membangun gerbang kuantum dengan kesalahan yang lebih sedikit. Dan
gerbang kuantum dianggap sebagai elemen logis dasar komputer kuantum. Oleh karena itu, sistem yang diusulkan memungkinkan di masa depan untuk meningkatkan efisiensi komputasi mesin kuantum.
Teknologi lainnya adalah teleportasi gerbang kuantum.
Agar mesin kuantum meluas, perlu untuk mengatur pekerjaan terkoordinasi dari ratusan qubit. Salah satu cara untuk mencapai ini adalah membuat sistem modular: menggabungkan sistem kuantum kecil menjadi satu besar.
/ foto Rachel Johnson CCUntuk ini, perlu memberikan gerbang kuantum kemungkinan interaksi intermodular. Untuk tujuan ini, tim peneliti dari Universitas Yale telah
mengembangkan arsitektur kuantum modular di mana gerbang kuantum
berteleportasi (mentransmisikan keadaan mereka dari jarak jauh) secara real time.
Para peneliti telah melakukan teleport
gerbang logika
CNOT (negasi terkontrol), yang mengimplementasikan operasi yang mirip dengan "
penambahan modulo 2 ". Mengingat kode koreksi kesalahan, keandalan metode adalah 79%.
Di masa depan, teknologi ini akan memungkinkan pengorganisasian komputer kuantum modular yang hanya akan skala.
Semua ini, ditambah dengan pencapaian para peneliti dari University of Pennsylvania, membawa momen adopsi mesin kuantum lebih dekat. Dipercayai bahwa ini
akan terjadi dalam sepuluh tahun ke depan.
PS Sumber Daya Tambahan dari Blog IaaS Perusahaan Pertama:
PPS Artikel terkait dari blog kami di Habré: