Forskere ser vej til kvanteberegning ved stuetemperatur

Hærens forskere forudsiger kvantecomputerkredsløb, der ikke længere vil have brug for ekstremt kolde temperaturer for at fungere, kan blive en realitet efter cirka et årti.

Årevis, solid-state kvante-teknologi, der fungerer ved stuetemperatur, syntes fjernt. Mens anvendelsen af ​​transparente krystaller med optiske ikke -lineariteter var fremstået som den mest sandsynlige vej til denne milepæl, plausibiliteten af ​​et sådant system forblev altid i tvivl.

Nu, Hærforskere har officielt bekræftet gyldigheden af ​​denne tilgang. Dr. Kurt Jacobs, af U.S. Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory, arbejder sammen med Dr. Mikkel Heuck og Prof. Dirk Englund, fra Massachusetts Institute of Technology, blev den første til at demonstrere gennemførligheden af ​​en kvantelogisk port bestående af fotoniske kredsløb og optiske krystaller.

"Hvis fremtidige enheder, der bruger kvanteteknologier, vil kræve afkøling til meget kolde temperaturer, så vil det gøre dem dyre, omfangsrig, og magtfuld, "Heuck sagde." Vores forskning er rettet mod at udvikle fremtidige fotoniske kredsløb, der vil være i stand til at manipulere den sammenfiltring, der kræves for kvanteenheder ved stuetemperatur. "

Kvanteteknologi tilbyder en række fremtidige fremskridt inden for computing, kommunikation og fjernmåling.

For at udføre enhver form for opgave, traditionelle klassiske computere arbejder med information, der er fuldt ud bestemt. Oplysningerne gemmes i mange bits, som hver især kan være til eller fra. En klassisk computer, når der gives et input angivet med et antal bits, kan behandle dette input for at producere et svar, som også er angivet som et antal bits. En klassisk computer behandler et input ad gangen.

I modsætning, kvantecomputere gemmer oplysninger i qubits, der kan være i en mærkelig tilstand, hvor de både er tændt og slukket på samme tid. Dette giver en kvantecomputer mulighed for at undersøge svarene på mange input samtidigt. Selvom det ikke kan sende alle svarene på én gang, det kan udsende relationer mellem disse svar, hvilket gør det muligt at løse nogle problemer meget hurtigere end en klassisk computer.

Desværre, en af ​​de store ulemper ved kvantesystemer er skrøbeligheden ved qubits mærkelige tilstande. De fleste potentielle hardware til kvanteteknologi skal opbevares ved ekstremt kolde temperaturer - tæt på nul kelvin - for at forhindre, at specialtilstandene ødelægges ved at interagere med computerens miljø.

"Enhver interaktion, som en qubit har med noget andet i sit miljø, vil begynde at fordreje sin kvantetilstand, "Sagde Jacobs." F.eks. hvis miljøet er en gas af partikler, så holder det meget koldt, holder gasmolekylerne langsomt i gang, så de ikke styrter så meget ind i kvantekredsløbene. "

Forskere har rettet forskellige bestræbelser på at løse dette problem, men der er endnu ikke fundet en bestemt løsning. I øjeblikket, fotoniske kredsløb, der inkorporerer ikke-lineære optiske krystaller, er i øjeblikket fremstået som den eneste mulige vej til kvanteberegning med solid-state-systemer ved stuetemperaturer.

"Fotoniske kredsløb ligner lidt elektriske kredsløb, bortset fra at de manipulerer lys i stedet for elektriske signaler, "Sagde Englund." F.eks. vi kan lave kanaler i et gennemsigtigt materiale, som fotoner vil rejse ned, lidt som elektriske signaler, der rejser langs ledninger. "

I modsætning til kvantesystemer, der bruger ioner eller atomer til at gemme oplysninger, kvantesystemer, der bruger fotoner, kan omgå den kolde temperaturbegrænsning. Imidlertid, fotonerne skal stadig interagere med andre fotoner for at udføre logiske operationer. Det er her, de ikke -lineære optiske krystaller spiller ind.

Forskere kan konstruere hulrum i krystallerne, der midlertidigt fanger fotoner inde. Gennem denne metode, kvantesystemet kan etablere to forskellige mulige tilstande, som en qubit kan indeholde:et hulrum med en foton (på) og et hulrum uden en foton (fra). Disse qubits kan derefter danne kvantelogiske porte, som skaber rammerne for de mærkelige stater.

Med andre ord, forskere kan bruge den ubestemte tilstand til, om en foton er i et krystalhulrum eller ej til at repræsentere en qubit. De logiske porte virker på to qubits sammen, og kan skabe "kvanteindvikling" mellem dem. Denne sammenfiltring genereres automatisk i en kvantecomputer, og er påkrævet for kvantetilgange til applikationer i sensing.

Imidlertid, forskere baserede ideen om at lave kvantelogiske porte ved hjælp af ikke -lineære optiske krystaller helt på spekulation - indtil dette tidspunkt. Selvom det viste et enormt løfte, der var tvivl om, hvorvidt denne metode overhovedet kunne føre til praktiske logiske porte.

Anvendelsen af ​​ikke -lineære optiske krystaller var forblevet i tvivl, indtil forskere ved hærens laboratorium og MIT præsenterede en måde at realisere en kvantelogisk port med denne tilgang ved hjælp af etablerede fotoniske kredsløbskomponenter.

"Problemet var, at hvis man har en foton, der kører i en kanal, fotonet har en 'bølgepakke' med en bestemt form, "Sagde Jacobs." For en kvanteport, du har brug for, at fotonbølgepakkerne forbliver de samme efter driften af ​​porten. Da ikke-lineariteter fordrejer bølgepakker, spørgsmålet var, om du kunne indlæse bølgepakken i hulrum, få dem til at interagere via en ikke -linearitet, og derefter udsender fotonerne igen, så de har de samme bølgepakker, som de startede med. "

Når de designede kvantelogikporten, forskerne udførte adskillige computersimuleringer af portens betjening for at demonstrere, at den kunne, i teorien, fungere hensigtsmæssigt. Faktisk konstruktion af en kvantelogik gate med denne metode vil først kræve betydelige forbedringer i kvaliteten af ​​visse fotoniske komponenter, sagde forskere.

"Baseret på de fremskridt, der er gjort i det sidste årti, vi forventer, at det vil tage omkring ti år, før de nødvendige forbedringer kan realiseres, "Heuck sagde." Dog, processen med at indlæse og udsende en bølgepakke uden forvrængning er noget, vi burde kunne realisere med den nuværende eksperimentelle teknologi, og det er altså et eksperiment, som vi vil arbejde videre med. "

Fysisk gennemgangsbreve offentliggjorde teamets resultater i et peer-reviewed papir 20. april.