Pamięć kwantowa - Quantum memory
|
Jednostki z informacji |
| Informacje teoretyczne |
|---|
|
| Przechowywanie danych |
|
| Informacje kwantowe |
| Część serii na |
| Mechanika kwantowa |
|---|
W informatyce kwantowej , pamięć kwantowa jest kwantowo-mechaniczny wersja zwykłej pamięci komputera . Podczas gdy zwykła pamięć przechowuje informacje jako stany binarne (reprezentowane przez „1” i „0”), pamięć kwantowa przechowuje stan kwantowy do późniejszego pobrania. Stany te zawierają przydatne informacje obliczeniowe znane jako kubity . W przeciwieństwie do klasycznej pamięci zwykłych komputerów, stany przechowywane w pamięci kwantowej mogą znajdować się w superpozycji kwantowej , co daje znacznie większą praktyczną elastyczność algorytmów kwantowych niż klasyczne przechowywanie informacji.
Pamięć kwantowa jest niezbędna do rozwoju wielu urządzeń do kwantowego przetwarzania informacji , w tym narzędzia do synchronizacji, które może dopasować różne procesy w komputerze kwantowym, bramki kwantowej, która utrzymuje tożsamość dowolnego stanu, oraz mechanizmu konwersji z góry określonych fotonów na fotony na żądanie. Pamięć kwantowa może być wykorzystywana w wielu aspektach, takich jak obliczenia kwantowe i komunikacja kwantowa. Ciągłe badania i eksperymenty umożliwiły pamięci kwantowej przechowywanie kubitów.
Tło i historia
Interakcja promieniowania kwantowego z wieloma cząstkami wzbudziła zainteresowanie naukowców w ciągu ostatniej dekady. Jednym z takich pól jest pamięć kwantowa, która odwzorowuje stan kwantowy światła na grupę atomów, a następnie przywraca jej pierwotny kształt. Pamięć kwantowa jest kluczowym elementem w przetwarzaniu informacji, takim jak optyczne obliczenia kwantowe i komunikacja kwantowa , otwierając jednocześnie nową drogę dla podstaw interakcji światło-atom. Jednak przywrócenie stanu kwantowego światła nie jest łatwym zadaniem. Chociaż poczyniono imponujące postępy, naukowcy wciąż pracują nad jego osiągnięciem.
Pamięć kwantowa oparta na wymianie kwantowej umożliwia przechowywanie kubitów fotonowych Kessel i Moiseev omówili przechowywanie kwantowe w stanie pojedynczego fotonu w 1993 roku. Eksperyment został przeanalizowany w 1998 roku i zademonstrowany w 2003 roku. stan fotonowy można uznać za produkt klasycznej technologii optycznego przechowywania danych zaproponowanej w 1979 i 1982 roku. Nie tylko to, ale pomysł został zainspirowany wysoką gęstością przechowywania danych w połowie lat 70-tych. Optyczne przechowywanie danych można osiągnąć za pomocą absorberów pochłaniających różne częstotliwości światła, które są następnie kierowane do punktów przestrzeni wiązki i przechowywane.
Rodzaje
Pamięć kwantowa światła
Normalne, klasyczne sygnały optyczne są transmitowane przez zmianę amplitudy światła. W takim przypadku do przechowywania informacji na lampie można użyć kartki papieru lub dysku twardego komputera. Jednak w scenariuszu z informacją kwantową informacje mogą być zakodowane zgodnie z amplitudą i fazą światła. W przypadku niektórych sygnałów nie można zmierzyć zarówno amplitudy, jak i fazy światła bez ingerencji w sygnał. Aby przechowywać informacje kwantowe, samo światło musi być przechowywane bez pomiaru. Światło dla pamięci kwantowej rejestruje stan światła w chmurze atomowej. Gdy światło jest pochłaniane przez atomy, mogą wprowadzić wszystkie informacje o kwantach światła.
Stała pamięć kwantowa
W klasycznym informatyce pamięć jest trywialnym zasobem, który można replikować w sprzęcie z pamięcią długowieczną i odzyskać później w celu dalszego przetwarzania. W informatyce kwantowej jest to zabronione, ponieważ zgodnie z twierdzeniem „no clone” , żaden stan kwantowy nie może być całkowicie odtworzony. Dlatego w przypadku braku kwantowej korekcji błędów przechowywanie kubitów jest ograniczone przez wewnętrzny czas koherencji fizycznych kubitów zawierających informacje. „Pamięć kwantowa” poza podanymi fizycznymi limitami przechowywania kubitów, będzie kwantową transmisją informacji do „przechowywania kubitów”, na „przechowywanie kubitów” nie ma łatwego wpływu szum otoczenia i inne czynniki, a następnie w razie potrzeby informacje z powrotem do preferowanych "przetwarzaj kubity", aby umożliwić szybkie działanie lub odczyt.
Odkrycie
Optyczna pamięć kwantowa jest zwykle używana do wykrywania i przechowywania stanów kwantowych pojedynczych fotonów . Jednak wytworzenie tak wydajnej pamięci jest wciąż ogromnym wyzwaniem dla współczesnej nauki. Pojedynczy foton ma zbyt małą energię, aby mógł zostać utracony w złożonym jasnym tle. Problemy te od dawna ograniczają szybkość przechowywania kwantowego poniżej 50%. Zespół kierowany przez profesora Du Shengwanga z wydziału fizyki Uniwersytetu Nauki i Technologii w Hongkongu oraz Instytutu Nano Nauki i Technologii Williama Monga w HKUST znalazł sposób na zwiększenie wydajności optycznej pamięci kwantowej do ponad 85 procent. Odkrycie przybliża również popularność komputerów kwantowych do rzeczywistości. Jednocześnie pamięć kwantowa może być również wykorzystywana jako repeater w sieci kwantowej, co kładzie podwaliny pod kwantowy Internet.
Badania i aplikacja
Pamięć kwantowa jest ważnym elementem aplikacji do przetwarzania informacji kwantowych , takich jak sieć kwantowa, repeater kwantowy, liniowe obliczenia kwantowe lub komunikacja kwantowa na duże odległości .
Optyczne przechowywanie danych jest od wielu lat ważnym tematem badawczym. Jego najciekawszą funkcją jest wykorzystanie praw fizyki kwantowej do ochrony danych przed kradzieżą, poprzez obliczenia kwantowe i kryptografię kwantową bezwarunkowo gwarantowane bezpieczeństwo komunikacji.
Pozwalają one na nakładanie się cząstek w stanie superpozycji , co oznacza, że mogą reprezentować wiele kombinacji jednocześnie. Cząstki te nazywane są bitami kwantowymi lub kubitami. Z punktu widzenia cyberbezpieczeństwa magia kubitów polega na tym, że jeśli haker próbuje obserwować je podczas transportu, ich kruche stany kwantowe ulegają rozpadowi. Oznacza to, że hakerzy nie mogą manipulować danymi sieciowymi bez pozostawienia śladu. Obecnie wiele firm wykorzystuje tę funkcję do tworzenia sieci, które przesyłają bardzo wrażliwe dane. Teoretycznie sieci te są bezpieczne.
Przechowywanie w kuchence mikrofalowej i konwersja mikrofalowa do nauki światła
Centrum azot-wakancja diamentu przyciągnęło wiele badań w ostatniej dekadzie ze względu na jego doskonałe działanie w optycznych urządzeniach nanofotonicznych. W niedawnym eksperymencie zastosowano indukowaną elektromagnetycznie przezroczystość na wieloprzebiegowym chipie diamentowym, aby uzyskać pełne wykrywanie fotoelektrycznego pola magnetycznego. Pomimo tych ściśle powiązanych eksperymentów, pamięć optyczna nie została jeszcze wdrożona w praktyce. Istniejąca struktura poziomów energetycznych centrum azot-wakancja (ładunek ujemny i neutralny azot-wakancja) umożliwia optyczne przechowywanie diamentowego centrum azot-wakancja.
Sprzężenie zespołu spinowego azot-wakancja i nadprzewodzących kubitów zapewnia możliwość przechowywania kubitów nadprzewodzących w mikrofalach. Pamięć optyczna łączy sprzężenie stanu spinu elektronu i nadprzewodzących bitów kwantowych, co umożliwia centrum azot-wakancja diamentu odgrywanie roli w hybrydowym systemie kwantowym wzajemnej konwersji światła spójnego i mikrofal.
Orbitalny moment pędu jest przechowywany w oparach alkalicznych
Duża głębokość rezonansowa światła jest przesłanką do budowy wydajnej pamięci kwantowo-optycznej. Par metalu alkalicznego izotopy dużej liczby długości fal bliskiej podczerwieni głębokości optycznej , ponieważ są one stosunkowo wąska linia widma, a liczba o dużej gęstości w ciepłym temperaturze 50-100 par ∘ C alkalicznych są stosowane w niektórych z najbardziej ważne osiągnięcia w zakresie pamięci, od wczesnych badań po najnowsze wyniki, które omawiamy, ze względu na ich dużą głębię optyczną, długi spójny czas i łatwe przejście optyczne w bliskiej podczerwieni.
Ze względu na wysoką zdolność transmisji informacji, ludzie są coraz bardziej zainteresowani jej zastosowaniem w dziedzinie informacji kwantowej. Światło strukturalne może przenosić orbitalny moment pędu , który musi być przechowywany w pamięci, aby wiernie odtworzyć przechowywane fotony strukturalne. Pamięć kwantowa pary atomowej jest idealna do przechowywania takich wiązek, ponieważ orbitalny moment pędu fotonów można odwzorować na fazę i amplitudę wzbudzenia rozproszonej integracji. Dyfuzja jest głównym ograniczeniem tej techniki, ponieważ ruch gorących atomów niszczy przestrzenną spójność wzbudzenia magazynowania. Wczesne sukcesy obejmowały przechowywanie słabo spójnych impulsów struktury przestrzennej w ciepłej, ultrazimnej całości atomowej. W jednym eksperymencie ta sama grupa naukowców w cezowej pułapce magnetooptycznej była w stanie przechowywać i pobierać wiązki wektorowe na poziomie pojedynczego fotonu. Pamięć zachowuje niezmienność rotacji wiązki wektorowej, dzięki czemu można jej używać w połączeniu z kubitami zakodowanymi w celu niedostosowania immunologicznej komunikacji kwantowej.
Pierwszą strukturę magazynującą, prawdziwy pojedynczy foton, uzyskano dzięki elektromagnetycznie indukowanej przezroczystości w rubidowej pułapce magnetooptycznej. Przewidywany pojedynczy foton generowany przez spontaniczne czterofalowe mieszanie w jednej pułapce magnetooptycznej jest przygotowywany przez orbitalną jednostkę momentu pędu przy użyciu spiralnych płytek fazowych, przechowywany w drugiej pułapce magnetooptycznej i odzyskiwany. Konfiguracja z dwiema orbitami dowodzi również spójności w pamięci wielomodowej, gdzie zapowiedziany pojedynczy foton przechowuje stan superpozycji orbitalnego momentu pędu przez 100 nanosekund.
KLEJNOT
GEM (Gradient Echo Memory) to technologia optycznego przechowywania echa fotonicznego . Pomysł został po raz pierwszy zademonstrowany przez naukowców z ANU . Ich eksperyment to trzypoziomowy system oparty na parze. Ten system jest najbardziej wydajny, jaki kiedykolwiek widzieliśmy w gorących oparach, do 87%.
Przezroczystość indukowana elektromagnetycznie
Przezroczystość indukowana elektromagnetycznie (EIT) została po raz pierwszy wprowadzona przez Harrisa i jego współpracowników z Uniwersytetu Stanforda w 1990 roku. Prace wykazały, że gdy wiązka laserowa powoduje zakłócenia kwantowe między ścieżkami wzbudzenia, odpowiedź optyczna ośrodka atomowego jest modyfikowana w celu wyeliminowania absorpcji i załamanie przy częstotliwościach rezonansowych przejść atomowych. W oparciu o EIT można uzyskać wolne światło, pamięć optyczną i pamięć kwantową. W przeciwieństwie do innych podejść, EIT ma długi czas przechowywania i jest stosunkowo łatwym i niedrogim rozwiązaniem do wdrożenia. Na przykład indukowana elektromagnetycznie przezroczystość nie wymaga bardzo dużej mocy wiązek sterujących zwykle potrzebnych w pamięciach kwantowych Ramana, ani nie wymaga stosowania temperatur ciekłego helu . Ponadto echo fotonowe może odczytywać EIT, podczas gdy koherencja spinu przetrwa ze względu na opóźnienie czasowe impulsu odczytu spowodowane odzyskiwaniem spinu w nierównomiernie poszerzonych ośrodkach. Chociaż istnieją pewne ograniczenia dotyczące długości fali, szerokości pasma i przepustowości modów, opracowano techniki, aby pamięci kwantowe oparte na EIT stały się cennym narzędziem w rozwoju kwantowych systemów telekomunikacyjnych . W 2018 r. wysoce wydajna pamięć optyczna oparta na EIT w zimnym atomie wykazała 92% wydajność przechowywania i pobierania w klasycznym trybie z koherentnymi wiązkami oraz 70% wydajność przechowywania i pobierania dla kubitów polaryzacyjnych zakodowanych w słabych koherentnych państw, pokonując każdy klasyczny benchmark. Po tych demonstracjach jednofotonowe kubity polaryzacyjne były następnie przechowywane za pośrednictwem EIT w zimnym zespole atomowym 85 Rb i odzyskane z wydajnością 85%, a także osiągnięto splątanie między dwiema pamięciami kwantowymi na bazie cezu z ogólną wydajnością transferu bliską 90%.
Kryształy domieszkowane ziem rzadkich
Wzajemna transformacja informacji kwantowej między światłem a materią jest przedmiotem zainteresowania informatyki kwantowej . Badane jest oddziaływanie między pojedynczym fotonem a schłodzonym kryształem domieszkowanym jonami ziem rzadkich . Kryształy domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich mają szerokie perspektywy zastosowań w dziedzinie przechowywania kwantowego, ponieważ zapewniają unikalny system zastosowań. Li Chengfeng z laboratorium informacji kwantowej Chińskiej Akademii Nauk opracował półprzewodnikową pamięć kwantową i zademonstrował funkcję obliczania fotonów przy użyciu czasu i częstotliwości. Na podstawie tych badań można zbudować wielkoskalową sieć kwantową opartą na wzmacniaczu kwantowym, wykorzystując przechowywanie i spójność stanów kwantowych w systemie materialnym. Naukowcy po raz pierwszy pokazali kryształy domieszkowane jonami metali ziem rzadkich. Łącząc trójwymiarową przestrzeń z dwuwymiarowym czasem i dwuwymiarowym widmem, powstaje rodzaj pamięci, która różni się od ogólnej. Ma pojemność wielomodową i może być również używany jako konwerter kwantowy o wysokiej wierności. Wyniki eksperymentów pokazują, że we wszystkich tych operacjach wierność trójwymiarowego stanu kwantowego przenoszonego przez foton może być utrzymana na poziomie około 89%.
Rozpraszanie Ramana w ciałach stałych
Diament ma bardzo duże wzmocnienie Ramana w optycznym trybie fononowym 40 THz i ma szerokie okno transjentów w paśmie widzialnym i bliskiej podczerwieni, dzięki czemu nadaje się do bycia pamięcią optyczną o bardzo szerokim paśmie. Po interakcji pamięci Ramana fonon optyczny rozpada się na parę fotonów przez kanał, a czas życia rozpadu wynosi 3,5 ps, co czyni pamięć diamentową nieodpowiednią dla protokołu komunikacyjnego.
Niemniej jednak pamięć diamentu umożliwiła pewne odkrywcze badania interakcji między światłem a materią na poziomie kwantowym: optyczne fonony w diamencie można wykorzystać do zademonstrowania kwantowej pamięci emisji, splątania makroskopowego, przewidywanego przechowywania pojedynczego fotonu i pojedynczego fotonu manipulacja częstotliwością.
Przyszły rozwój
W przypadku pamięci kwantowej przyszłymi kierunkami badań są komunikacja kwantowa i kryptografia. Istnieje jednak wiele wyzwań związanych z budowaniem globalnej sieci kwantowej. Jednym z najważniejszych wyzwań jest tworzenie wspomnień, które mogą przechowywać informacje kwantowe niesione przez światło. Naukowcy z Uniwersytetu Genewskiego w Szwajcarii współpracujący z francuskim CNRS odkryli nowy materiał, w którym pierwiastek zwany iterbem może przechowywać i chronić informacje kwantowe, nawet przy wysokich częstotliwościach. To sprawia, że iterb jest idealnym kandydatem do przyszłych sieci kwantowych. Ponieważ sygnały nie mogą być replikowane, naukowcy badają obecnie, w jaki sposób można sprawić, by pamięć kwantowa przemieszczała się coraz dalej, przechwytując fotony w celu ich synchronizacji. W tym celu ważne staje się znalezienie odpowiednich materiałów do tworzenia pamięci kwantowych. Iterb jest dobrym izolatorem i działa przy wysokich częstotliwościach, dzięki czemu fotony mogą być przechowywane i szybko przywracane.