211service.com
W kierunku Internetu kwantowego
Obietnica komputerów kwantowych jest kusząco wielka: niemal natychmiastowe rozwiązywanie problemów i doskonale bezpieczna transmisja danych. Jednak w większości demonstracje obliczeń kwantowych na małą skalę pozostają odizolowane w laboratoriach na całym świecie. Ale już, Prem Kumar , profesor elektrotechniki i informatyki na Northwestern University, zrobił krok w kierunku uczynienia obliczeń kwantowych bardziej praktycznymi. Kumar i jego zespół wykazali, że mogą zbudować bramkę logiki kwantowej – podstawowy element komputera kwantowego – w światłowodzie. Bramka może być częścią obwodu, który bezpiecznie przekazuje informacje przez setki kilometrów światłowodu z jednego komputera kwantowego do drugiego. Może być również używany samodzielnie do rozwiązywania skomplikowanych problemów matematycznych.
Uwikłana sieć: Elementy optyczne na tym stanowisku laboratoryjnym, takie jak lustra i filtry, pozwalają naukowcom z laboratorium Prema Kumara na Northwestern University kierować i manipulować światłem. W najnowszej pracy Kumara stworzył bramkę logiki kwantowej w światłowodzie; takie bramy mogłyby ostatecznie umożliwić tworzenie sieci komputerów kwantowych.
Bramka logiczna to urządzenie, które odbiera dane wejściowe, wykonuje na nim operację logiczną i wytwarza dane wyjściowe. Typ bramki stworzony przez Kumara, zwany kontrolowaną bramką NOT, ma analogię z klasycznymi obliczeniami, która odwraca bit rejestrujący z 1 na 0 i na odwrót. Bramki logiki kwantowej, takie jak Kumar, zostały zbudowane wcześniej, ale działały z wiązkami laserowymi, które przechodziły przez powietrze, a nie przez światłowód. Nowa brama kładzie podwaliny pod eksperymenty, które demonstrują możliwości komputerów kwantowych w światłowodach, mówi Kumar. Ekscytującą rzeczą jest to, że aplikacja jest w zasięgu ręki, mówi. W ciągu najbliższego roku Kumar i jego zespół planują przetestować bramę w określonej aplikacji: przeprowadzenie złożonej aukcji w bezpiecznej sieci kwantowej.
Naukowcy z IBM, MIT i wielu innych korporacji i uniwersytetów pracowali nad komputerami kwantowymi, odkąd po raz pierwszy zaproponowano je w latach 80. XX wieku. Komputer kwantowy to urządzenie, które przetwarza bity informacji, wykorzystując dziwne właściwości mechaniki kwantowej cząstek, takich jak elektrony i fotony. Komputer kwantowy teoretycznie jest w stanie przetwarzać wykładniczo więcej informacji niż komputery klasyczne. Jednostką informacji w klasycznym komputerze jest bit, który reprezentuje 1 lub 0; ale w komputerze kwantowym jest to kubit, który może jednocześnie reprezentować zarówno 1, jak i 0. Ponieważ kubity obliczają wiele wartości naraz, moc obliczeniowa komputera kwantowego podwaja się z każdym dodatkowym kubitem. Ta cecha pozwoliłaby komputerowi kwantowemu z zaledwie kilkuset kubitami znacznie przewyższyć dzisiejsze najlepsze superkomputery.
Grupa Kumara tworzy kubity z splątanych fotonów. Oznacza to, że ich cechy fizyczne, takie jak polaryzacja, są połączone w taki sposób, że jeśli jeden foton przyjmie określony stan fizyczny, pasujący foton natychmiast przyjmie odpowiedni stan. Kilka lat temu Kumar wykazał, że samo światłowód może powodować splątanie fotonów i pozostaną one splątane na dystansie 100 kilometrów. Jego ostatnia praca, opisana w Fizyczne listy kontrolne , idzie o krok dalej, tworząc bramkę logiczną, która splątuje pary fotonów.
Aby użyć tej bramki, Kumar potrzebuje fotonów, które są identyczne pod każdym względem z wyjątkiem polaryzacji lub orientacji ich pól elektromagnetycznych. Te identyczne fotony są wysyłane przez światłowód do samej bramki, małego labiryntu urządzeń, które kierują fotony w różnych kierunkach w zależności od na ich polaryzację. Przejście przez labirynt powoduje splątanie pewnych par fotonów. Ale nie wszystkie fotony przechodzą przez bramę; Dopiero kiedy fotony dotrą do detektorów na drugim końcu, a naukowcy mogą zmierzyć, czy są splątane, czy wiedzą, że bramka się powiodła.
Jedynym sposobem, aby dowiedzieć się, czy bramka działała, jest poczekanie, aż zostanie wystrzelona na nią kolekcja fotonów, mówi Carl Williams , koordynator kwantowy program informacyjny w Narodowym Instytucie Norm i Technologii. W większości przypadków brama zawodzi, mówi. To kwestia probabilistyczna. Ale kiedy bramka ulegnie awarii, naukowcy po prostu ignorują nie splątane fotony.
Wspaniałą rzeczą w tej pracy, mówi Williams, jest to, że jest w błonniku. To wielka sprawa, ponieważ może prowadzić do sieci rozproszonych. … Oczywistym zastosowaniem jest komunikacja kwantowa na duże odległości między dwoma mniejszymi komputerami kwantowymi. Jednym z kluczowych elementów konwencjonalnej sieci optycznej jest urządzenie zwane repeaterem, które wzmacnia sygnały, które uległy degradacji na odległość. Williams mówi, że bramka logiki kwantowej, taka jak ta, którą zbudował Kumar, mogłaby zostać użyta w obwodzie wzmacniającym sygnał bez utraty splątania fotonów.
To ważny krok w kierunku budowy Internetu kwantowego, mówi Seth Lloyd , profesor inżynierii mechanicznej na MIT i czołowy badacz w dziedzinie obliczeń kwantowych. Taka sieć miałaby uprawnienia, których nie ma zwykły Internet, mówi. W szczególności komunikacja przez kwantowy Internet byłaby automatycznie bezpieczna.
Lloyd zauważa, że artykuł Kumara ilustruje, w jaki sposób można wykonać prostą operację logiki kwantowej przy użyciu pojedynczych fotonów. Obecny artykuł przedstawia znaczący postęp w technologii obliczeń kwantowych i sieci kwantowych, mówi.