Computador quântico: um fóton para dominar tudo

A história da tecnologia da computação, que agora chamamos simplesmente de servidor ou computador, começou muitos séculos atrás. Com o tempo e o desenvolvimento da tecnologia, os computadores melhoraram. Melhor desempenho, velocidade e até aparência. Qualquer computador basicamente implementa certas leis das ciências naturais, como física e química. Aprofundando-se em qualquer uma dessas ciências, os pesquisadores estão encontrando novas e novas maneiras de melhorar os sistemas de computação. Hoje vamos nos familiarizar com um estudo que visa implementar o uso de fótons em computadores quânticos. Vamos lá

Base teórica

A frase "computador quântico" deixou de ser chocante, embora pareça ficção científica. No entanto, não há nada de fantástico, pelo menos do ponto de vista literário. Um computador quântico explora superposição quântica e emaranhamento quântico. Em palavras simples, a superposição quântica é um fenômeno quando os estados quânticos de um sistema são mutuamente exclusivos. Se não estamos falando de partículas, de algo "maior", podemos mencionar o gato Schrödinger.


Quanto ao entrelaçamento quântico, os estados de duas ou mais partículas dependem um do outro. Ou seja, falando dos mesmos fótons, se uma mudança no giro de uma partícula leva ao fato de que ela se torna positiva, a segunda se torna automaticamente negativa e vice-versa. Ao mesmo tempo, medindo o estado da primeira partícula, privamos instantaneamente a segunda partícula do estado de entrelaçamento quântico.

Um computador quântico opera não com bits, mas com qubits, que diferem dos primeiros, pois podem estar simultaneamente em dois estados - 0 e 1. Isso permite processar informações muito mais rapidamente.

Com fótons, tudo fica um pouco mais fácil. O fóton é uma "partícula de luz", se falarmos muito exagerado. Uma definição mais científica é uma partícula elementar da radiação eletromagnética, capaz de transferir a interação eletromagnética.

Verso da moeda

Os fótons são excelentes portadores de informações quânticas, mas a falta de uma relação determinista * fóton-fóton limita seu uso em computadores e redes quânticas.

Sistemas determinísticos * são sistemas nos quais os processos são interconectados de forma que uma sequência causal possa ser rastreada. Em outras palavras, são sistemas nos quais os dados recebidos (por exemplo, tarefas) correspondem totalmente aos dados enviados (resultado da solução).

Este estudo pode não ter ocorrido se não fosse por descobertas recentes no campo da interação da matéria de luz por meio de átomos presos neutros, o que tornou possível o uso de não linearidades ópticas * no modo de fóton único.

A não linearidade óptica * é explicada pela resposta não linear do vetor de polarização ao vetor de campo elétrico da onda de luz. Isso pode ser observado usando lasers, pois eles podem gerar um feixe de alta intensidade de luz.

Não linearidade óptica usando o exemplo da geração de segunda harmônica

Essa técnica está associada a problemas na implementação de dispositivos de forma compacta, uma vez que sua implementação requer traps a laser de tamanho muito grande e extremamente complexos para configurar. Além disso, átomos neutros trabalham com baixa largura de banda.

Outra opção, que também foi deixada de lado por um longo tempo, é um sistema baseado na eletrodinâmica quântica não linear. Como esses sistemas funcionam exclusivamente no modo de microondas, colocá-los no modo óptico é extremamente problemático.

Outros pesquisadores decidiram cavar ainda mais fundo, quase literalmente. O uso de sistemas nanofotônicos nos quais os fótons interagem com elementos nanométricos (neste caso, emissores quânticos) é uma maneira muito atraente de obter a não linearidade de um único fóton em dispositivos compactos de estado sólido. No entanto, por enquanto, esses experimentos usam emissores representados por um sistema atômico de dois níveis, limitado por um compromisso entre largura de banda e atraso, o que torna impossível a implementação de comutadores de uma cor.

Como conclusão, todos os estudos anteriores apresentaram determinados resultados positivos, os quais, infelizmente, foram associados a certos problemas de implementação ou interação de sistemas.

Noções básicas do estudo

No mesmo estudo, um comutador de fóton único e um transistor são implementados ao emparelhar um qubit quântico de estado sólido e um ressonador de nanofotão.

Um dos principais elementos do experimento é um qubit giratório, constituído por um único elétron em um ponto quântico carregado * .

Um ponto quântico * (ou "átomo artificial") é uma partícula semicondutora. Devido ao seu tamanho extremamente pequeno, suas propriedades ópticas e eletrônicas são muito diferentes daquelas de partículas maiores.

Imagem No. 1a

A Figura 1a mostra a estrutura do nível de pontos quânticos, que inclui dois estados básicos * com rotações opostas, que formam uma memória quântica estável. Esses estados são rotulados da seguinte forma: | ↑⟩ e | ↓⟩ .

O estado fundamental * - na mecânica quântica, é um estado estacionário quando o nível de energia e outras quantidades não mudam, com o mínimo de energia.

Os estados de excitação * , que contêm um par de elétrons e um buraco * com rotações opostas, também são marcados na imagem. Eles são designados da seguinte forma: | ↑ ↓, ⇑⟩ e | ↑ ↓, ⇓⟩ .

Excitação * - indica a transição do sistema do estado fundamental para um estado com maior energia.

Buraco * é uma quase partícula, um portador de uma carga positiva igual a uma carga elementar, em semicondutores.

Imagem # 1b

A imagem 1b é uma fotografia de um ressonador de nanofotão fabricado, tirada por um microscópio eletrônico de varredura. Explorando o efeito Vogt * , um composto dependente de rotação foi obtido aplicando um campo magnético (5,5 T) ao longo do plano do dispositivo.

Efeito Vogt * - a ocorrência de birrefringência de uma onda eletromagnética durante sua propagação em sólidos.

Medindo a refletividade polarizada cruzada, também foi possível determinar a força do composto ( g ), a taxa de decaimento da energia do ressonador de nanofotons ( k ) e a transição dipolar decoerente ( y ):

• g /2π=10.7 Altern0.2 GHz
• k / 2π = 35,5 Altern0,6 GHz
• y /2π=3.5 dependente0.3 GHz

Além disso, g> k / 4 é uma condição que determina que o dispositivo mudou para um modo de comunicação forte e estável.


Imagem No. 1s

A imagem 1c (canto superior esquerdo) demonstra graficamente os princípios de operação de um comutador de fóton único e um transistor. Como vemos, se o pulso do portão não contém fótons, o giro permanece na posição "para baixo". Se um fóton estiver presente, a rotação entra na posição superior. Como resultado, o estado de rotação controla o coeficiente de reflexão do ressonador de nanofotões, alterando assim a polarização dos fótons do sinal refletido.

Toda a sequência de pulsos é mostrada na imagem 1c (abaixo). Agora vamos ficar um pouco mais detalhados sobre cada etapa.

• No início, há um ponto quântico em uma superposição de seu estado de rotação do solo. É calculado usando a fórmula (| ↑⟩ + | ↓⟩) / √2 . Isso é obtido aplicando um pulso de inicialização para o bombeamento óptico de rotação, o que o coloca em um estado "inativo".
• Em seguida, um pulso óptico de rotação é aplicado, criando uma rotação de rotação π / 2.
• Por algum tempo ( τ ), o sistema se desenvolve livremente.
  
  Se esse tempo for definido como um número inteiro + metade do período de procissão de centrifugação, na ausência de um fóton do obturador, a centrifugação entrará no estado (| ↑⟩ - | ↓ and) / √2 , e o segundo pulso de rotação colocará a centrifugação de volta no estado "inativo". Se o fóton gate é refletido pelo ressonador, ele forma uma mudança de fase π relativa entre os estados para cima e para baixo, o que reflete a rotação ao longo do eixo ( x ) da esfera de Bloch * . Assim, o segundo impulso rotacional traduzirá a rotação no estado "up".
• Outro impulso rotacional é usado, idêntico ao primeiro.
• Um pulso de porta é introduzido entre esses dois pulsos.

Esfera de Bloch * - na mecânica quântica é usada como uma forma de representação geométrica do espaço de estados qubit.

• No final do processo, o campo de sinal é refletido pelo ressonador e passa por uma rotação de polarização, que depende diretamente do estado do giro.

Imagem No. 2a

O gráfico acima mostra a transmitância do campo de sinal que passa pelo polarizador, na forma de uma função (τ) na ausência de um pulso de porta.

O contraste da transmitância é determinado pela fórmula: δ = T _up - T _down

Onde T _up e T _down são os coeficientes de transmissão do campo de sinal nos momentos da transição do giro para o estado "up" (para cima ) e "down" ( para baixo ) usando dois pulsos rotacionais correspondentes aos valores máximo e mínimo da transmitância na oscilação.

O valor constante é δ = 0,24 ± 0,01. É muito diferente do ideal devido ao estado de rotação impreciso F = 0,78 ± 0,01 e devido à cooperatividade limitada = 2 g ² / ky = 1,96 ± 0,19.


Imagem No. 2b

O gráfico 2b mostra o caso em que é usado um pulso de 63 ps, contendo aproximadamente 0,21 fótons por pulso associado ao ressonador. Para garantir que um fóton regule a transmitância, foi medida a coincidência de dois fótons entre os fótons gate e o sinal.

Pontos verdes são a transmitância medida do sinal devido à detecção do fóton de gate refletido em função de ( τ ).

A linha verde é a correspondência numérica do modelo exibido no gráfico 2a .

A linha vertical (a) nos gráficos 2a e 2b é a designação do estado quando o giro passa por um número meio inteiro de rotações em torno da esfera de Bloch durante o período de desenvolvimento livre. Em tal situação, o fóton de gate faz com que a polarização do campo de sinal comece a girar e redirecionar através do polarizador.

A linha vertical (b) nos gráficos 2a e 2b é uma exibição de um segundo estado operacional no qual as operações de comutação são possíveis. Nesta modalidade, o comportamento de comutação reversa é observado quando o fóton do obturador impede a rotação do campo de sinal, reduzindo assim a transmitância.

Nos dois casos, o pulso do gate causa uma alteração na transmitância do sinal em 0,21 ± 0,02. Para considerar o fóton do obturador ideal, este indicador deve ser igual a 0,24, conforme determinado nos cálculos, mostrados no gráfico 2a . No caso de um experimento real, os indicadores são piores devido ao uso de um laser atenuado (com oscilação amortecida) para criar um pulso de porta, que, apesar de improvável, pode conter vários fótons.


Imagem No. 2s

O gráfico acima mostra a transmitância em função do tempo de atraso ( τ ), quando o valor médio dos fótons de sinal por pulso é definido em 4,4 ± 0,5 (em cima), 10,9 ± 1,2 (em meio), 23,0 ± 2,5 (em baixo).

Pontos verdes - transmitância devido à detecção de um fóton do obturador.

Quadrados laranja - transmitância sem pulso do obturador.

Linhas verde e laranja - correspondência numérica aos modelos teóricos dos gráficos 2a e 2b .

Em todos os casos, o comportamento de comutação é claramente observado.

Os cálculos do contraste de comutação ( ξ ) deram os seguintes resultados: 0,22 ± 0,03, 0,17 ± 0,02 e 0,12 ± 0,02, de acordo com cada gráfico.

O principal problema associado ao contraste de comutação é sua diminuição com um aumento no número de fótons de sinal. Isso se deve ao fato de que cada fóton de sinal pode reverter a rotação através da dispersão de luz Raman ( efeito Raman * ). Isso redefine o estado da memória quântica interna.

O efeito Raman * é a dispersão inelástica da radiação óptica quando as partículas colidem, o que leva a uma mudança em seu estado, a formação de novas partículas, a transformação em outras ou o nascimento de novas partículas.

Imagem No. 3

No gráfico 3a, os pontos azuis mostram o contraste de transmissão medido quando não há pulso de gate, em função do número médio de fótons no campo de sinal. Este é um indicador do grau de comutação automática provocado por um sinal sem obturador. As linhas azuis indicam a correspondência numérica dos dados de uma função exponencial da forma exp (-N _s / N _avg ) , em que N _avg é o número médio de fótons de sinal necessários para alterar a posição de rotação. Os cálculos mostraram que N _méd = 27,7 ± 8,3.

Outra propriedade importante dos transistores é o coeficiente de transmissão ( G ). O gráfico 2b (pontos azuis) mostra o crescimento deste indicador. Os pesquisadores conseguiram atingir G = 3,3 ± 0,4 com o número de fótons N _s = 29,2 ± 3,2.

Informações mais detalhadas sobre este estudo, bem como métodos de cálculo, estão descritos no relatório, disponível por referência. Eu recomendo que você se familiarize.

Epílogo

No momento, o maior obstáculo no processo de implementação de um dispositivo completo baseado neste estudo é a perda de fótons. No entanto, os cientistas argumentam que esse problema pode ser resolvido. Não ele, então outros cientistas. Atualmente, existem muitos estudos voltados à otimização de dispositivos quânticos, que serão baseados em fótons.

Esses estudos, incluindo o hoje examinado, acumulam uma base teórica, apoiada pela experimentação. A teoria é sempre seguida pela implementação prática. Mas isso só é possível quando é alcançada uma massa crítica de conhecimento que permitirá a plena realização de uma ideia.

Os primeiros passos já foram dados. Sim, esses passos são pequenos, mas muitos cientistas ao redor do mundo os seguem, cada um na sua própria direção. E, embora seus caminhos variem, o destino desse caminho incrivelmente complexo e ao mesmo tempo fascinante é único.

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