Ingeniører bruger lydbølger til at søge gennem big data med mere stabilitet og lethed

Mennesker skaber en masse data i den digitale tidsalder – uanset om det er gennem hverdagsting som sociale medier, e-mails og Google-søgninger, eller mere komplekse oplysninger om sundhed, økonomi og videnskabelige resultater.

The International Data Corp. rapporterede, at den globale datasfære indeholdt 33 zettabyte, eller 33 billioner gigabyte, i 2018. Inden 2025 de forventer, at det tal vil vokse til 175 zettabyte. 175 zettabyte information gemt på dvd'er ville fylde nok dvd'er til at cirkulere rundt om jorden 222 gange.

Mens kvantecomputere er blevet udråbt som en måde til intelligent at sortere gennem big data, kvantemiljøer er svære at skabe og vedligeholde. Sammenfiltrede kvantebittilstande, eller qubits, varer normalt mindre end et sekund, før de kollapser. Qubits er også meget følsomme over for deres omgivende miljøer og skal opbevares ved kryogene temperaturer.

I et papir udgivet i Kommunikationsfysik , forskere ved University of Arizona Department of Materials Science and Engineering har demonstreret muligheden for akustiske bølger i et klassisk miljø til at udføre arbejdet med kvanteinformationsbehandling uden tidsbegrænsninger og skrøbelighed.

"Vi kunne køre vores system i årevis, "sagde Keith Runge, forskningsleder i Institut for Materialevidenskab og Teknik og en af ​​papirets forfattere. "Den er så robust, at vi kunne tage den med udenfor til en messe, uden at den overhovedet blev forstyrret - tidligere i år, vi gjorde."

Materialevidenskab og ingeniørforskningsassistent Arif Hasan ledede forskningen. Andre medforfattere omfatter MSE forskningsassistent professor Lazaro Calderin; bachelorstuderende Trevor Lata; Pierre Lucas, professor i MSE og optisk videnskab; og Pierre Deymier, MSE afdelingsleder, medlem af det anvendte matematik Graduate Interdisciplinary Program, og medlem af BIO5 Instituttet. Holdet arbejder med Tech Launch Arizona, UA's kontor, der kommercialiserer opfindelser, der stammer fra forskning, at patentere deres enhed og undersøger kommercielle veje til at bringe innovationen til offentligheden.

Quantum Superposition

I klassisk databehandling, oplysninger gemmes som enten 0'ere eller 1'ere, på samme måde som en mønt skal lande på enten hoveder eller haler. I kvanteberegning, Qubits kan lagres i begge tilstande på samme tid - en såkaldt superposition af tilstande. Tænk på en mønt balanceret på siden, spinder så hurtigt, at både hoveder og haler synes at dukke op på én gang.

Når qubits er viklet ind, alt hvad der sker med den ene qubit påvirker den anden gennem et princip kaldet ikke -adskillelighed. Med andre ord, slå en spindende mønt ned på et bord og en anden spindende mønt på samme bord falder ned, også. Et princip kaldet nonlocality holder partiklerne forbundet, selvom de er langt fra hinanden - slå en spindende mønt ned, og dens sammenfiltrede modstykke på den anden side af universet falder ned, også. De sammenfiltrede qubits skaber en klokketilstand, hvor alle dele af et kollektiv påvirkes af hinanden.

"Dette er nøglen, fordi hvis du kun manipulerer én qubit, du manipulerer hele samlingen af ​​qubits, " sagde Deymier. "I en almindelig computer, du har mange stykker information gemt som 0'ere eller 1'ere, og du skal tage fat i hver enkelt af dem. "

Fra lys til lyd

Men, som en mønt, der snurrer på kanten, kvantemekanikken er skrøbelig. Handlingen med at måle en kvantetilstand kan få forbindelsen til at kollapse, eller dekohere – ligesom at tage et billede af en snurrende mønt vil betyde, at man kun fanger den ene side af mønten. Det er derfor, qubit-tilstande kun kan opretholdes i korte perioder.

Men der er en vej omkring brugen af ​​kvantemekanik til databehandling:Optiske forskere og elektriske og computertekniske forskere har demonstreret evnen til at oprette systemer af fotoner, eller lysenheder, der udviser uadskillelighed uden ikke-lokalitet. Selvom ikke-lokalitet er vigtigt for specifikke applikationer som kryptografi, det er uadskilleligheden, der betyder noget for applikationer som kvanteberegning. Og partikler, der ikke kan adskilles i klassiske Bell-tilstande, snarere end viklet ind i en kvanteklokketilstand, er meget mere stabile.

Materialevidenskab og teknikerteam har taget dette et skridt videre ved for første gang at demonstrere, at klassisk ikke -adskillelighed kan anvendes på akustiske bølger, ikke kun lysbølger. De bruger phi-bits, enheder opbygget af kvasipartikler kaldet fononer, der transmitterer lyd og varmebølger.

"Lyslasere og enkelte fotoner er en del af feltfotonikken, men lydbølger falder ind under paraplyen af ​​fononik, eller studiet af fononer, " sagde Deymier. "Ud over at være stabil, klassisk sammenfiltrede akustiske bølger er nemme at interagere med og manipulere."

kompleks videnskab, Enkle værktøjer

Materialerne til at demonstrere et så komplekst koncept var enkle, inklusive tre aluminiumsstænger, nok epoxy til at forbinde dem og nogle gummibånd for elasticitet.

Forskere sendte en bølge af lydvibrationer ned ad stængerne, overvågede derefter to frihedsgrader af bølgerne:hvilken retning bølgerne bevægede sig ned af stængerne (fremad eller bagud), og hvordan stængerne bevægede sig i forhold til hinanden (om de bølgede i samme retning og med lignende amplituder). At excitere systemet til en ikke-adskillelig tilstand, de identificerede en frekvens, ved hvilken disse to frihedsgrader var forbundet og sendte bølgerne med den frekvens. Resultatet? En Bell -tilstand.

"Så, vi har et akustisk system, der giver os muligheden for at skabe disse klokketilstande, " sagde Deymier. "Det er den komplette analog til kvantemekanik."

At demonstrere, at dette er muligt, har åbnet døren til at anvende klassisk ikke-adskillelighed på det nye felt af fononik. Næste, forskerne vil arbejde på at øge antallet af frihedsgrader, der klassisk kan indvikles – jo mere, des bedre. De ønsker også at udvikle algoritmer, der kan bruge disse ikke-adskillelige tilstande til at manipulere information.

Når systemet er forfinet, de planlægger at ændre størrelsen fra bordpladen ned til mikroskalaen, klar til at blive installeret på computerchips i datacentre rundt om i verden.