Kvantových počítačů budoucnosti mohl fungovat prostřednictvím energetické přechody excitovaných atomů, nebo dokonce z čisté světlo, když to rychle rostoucí oblasti atomové fyziky i nadále setkat s úspěchem, píše Keith Cooper
Pro fyziky honí svatý grál quantum computing, jeden chutný recept, se stává čím dál rozšířenější., Posypeme hrst atomů-rubidium je oblíbenou složkou-do vakuové komory. Ošetřete laserovými paprsky, abyste atomy ochladili na pouhé frakce stupně nad absolutní nulou. Pak přidejte pár fotonů a hey presto-vytvořili jste jeden ze základních stavebních kamenů kvantového počítače.
alespoň, „to je základní myšlenka“, říká Mark Saffman, atomový fyzik na University of Wisconsin–Madison v USA. Ústředním bodem toho všeho jsou atomy Rydberg, které mají jediný vnější valenční elektron, který může být vzrušen do vyšších kvantových stavů. Jsou to velcí tatínkové atomového světa., Typicky atomové jádro je femtometres ve velikosti, ale v Rydbergova atomu vzrušený valenční elektron může cestovat mikronů od jádra, přičemž stále zůstává vázán na to, balonem atomový poloměr miliarda-krát ve velikosti. S tak velkým dosahem může atom Rydberg interagovat s jinými blízkými atomy prostřednictvím silného elektrického dipólového okamžiku milionkrát lépe než „obyčejné“ atomy. Je to interaktivní moc – a schopnost ovládat pomocí jedné, pečlivě vybrané photon – to je Rydbergovy atomy tak mocnou silou ve světě kvantové informační systémy.,
technologie brány
v srdci jakéhokoli počítače-digitálního nebo kvantového-jsou logické brány. Kvantový počítač pracuje v atomové stupnici, kde vládne kvantová mechanika, což znamená, že logická vrata musí být také postavena z atomů. NE brány, například, má jeden vstup a dva stavy, 0 a 1, ale pro brány do práce to vyžaduje, že atomy nejen komunikovat, ale že interakce je kontrolována. Elektrická dipólová síla atomů Rydberg a naše schopnost řídit jejich buzení je činí ideální pro kvantové logické brány.,
V roce 2010 Saffman a jeho kolegové ve Wisconsinu prokázala schopnost budovat logické brány pomocí dvou neutrálních atomů rubidia, doplňující práci provádí tým pod vedením Philippe Grangier na Institut d’Optique poblíž Paříže. Kvantová verze NENÍ brána je Ovládaná-NE, nebo KDO, brány, v níž atomy rubidia sami jsou kvantové bity – nebo „qubits“ – informací. Jeden je označen jako “ kontrola „a druhý“cíl“., V jejich základním stavu, který různé sportovní hyperfine státy, které drží kvantové informace, atomy nechci komunikovat – čtyři mikronů oddělující nich mohla být nekonečno. Nicméně, vzrušující kontrolu atom do Rydbergova stavu tím, že střílí rezonanční foton na to, že dostane vstřebává, valenční elektron, stoupá na vyšší úroveň energie, prodlužuje jeho dosah dostatečně povolit interakci s cílovou atom, „obracející“ a což, KDO brána na ovládání., „Pomocí laseru k excitaci řídicího atomu můžeme zapnout interakci a provést naši logickou bránu, než vrátíme atomy do stavu země,“ říká Saffman.
Předchozí experimenty použil iontů k vytvoření KDO gates, ale problém s ionty, je, že se nabíjí, není tam žádný jednoduchý způsob, jak přepnout jejich interakce, což limity, kolik mohou být kombinovány do stabilní qubit. Neutrální atomy Rydberg však tomuto problému nečelí. To neznamená, že atomy Rydberg jsou nový vývoj-oni byli známí od konce 1800s., To, co má opravdu urychlil vývoj Rydberg fyziky byl nástup laserových pastí a chlazení, pro které Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji a William Phillips sdílel Nobelovu Cenu za Fyziku v roce 1997. Právě tato schopnost fyziků držet a manipulovat s jednotlivými atomy pomocí světla otevřela cestu pro použití atomů Rydberg v exotických nových aplikacích.
ostře posunuté
lasery lze použít k vytvoření „optické dipólové pasti“, která dokáže udržet a ochladit atomy na pouhý mikrokelvin nad absolutní nulou, nebo dokonce až na nanokelvin v některých případech., Křížením laserů lze tuto metodu rozšířit na 2D nebo 3D optickou mřížku. Lasery jsou naladěny na barvu odlišnou od rezonanční frekvence atomu, aby se zabránilo atomům absorbujícím některý z fotonů (což by jim dalo energii vyskočit z pasti). V tomto bodě, což je jev známý jako Stark účinek přichází do hry, což je posun v atomu, energetické hladiny v reakci na elektrické pole střídavý proud, jako v tom, že vyrábí elektromagnetické vlny. U atomů v pozemním stavu jsou energetické hladiny posunuty na mírně nižší energii., Nejintenzivnější část laserové paprsky, což je místo, kde se kříž v mřížce, pak se stává potenciální no, v nichž atomy v pasti, protože je to tady, že zažívají největší posun a ztratí nejvíce energie (obrázek 1).
po zachycení mohou být atomy vzrušeny do Rydbergova stavu vypálením fotonu rezonanční frekvence na ně. Problém je, že energie rezonanční foton může náraz atomu ven z pasti, a tak hledání bylo na „magic vlnových délek“, které mohou jak past a vybuzení atomu ve stejnou dobu., V roce 2015, v návaznosti na téměř deset let, za práci o atomové fyziky, skupina v čele fyzik Trey Porto na University of Maryland Společné Quantum Institute, USA, našel magické frekvence atomů rubidia, že současně pastí je ve dvou různých kvantových stavů, které mají hlavní kvantová čísla n = 5 a n = 18 (Phys. Rev. A 91 032518). Jinými slovy, mohou být nadšeni do Rydbergova stavu 18s, kde je excitovaný elektron v orbitalu 18s, zatímco zůstává v pasti. Tato magická vlnová délka odpovídá infračervené vlnové délce asi 1064 nm., O naprosté štěstí, to je vlnová délka, vyrábí Nd:YAG laser, který většina fyziků používat, protože obsahuje některé z nejlevnější laserové energie k dispozici. To je zvláště důležité, když chcete hodně energie, aniž byste bankrupovali vaše oddělení fyziky.
„Opravdu, my jsme byli záludný a vybral barvu světla, které pasti jak Rydbergova stavu, který nás zajímá, a na zemi stát,“ říká fyzik Elizabeth Goldschmidt, který byl jedním z Porto je tým členů a je nyní založen na AMERICKÉ Armádní Výzkumné Laboratoře v Marylandu.,
přestože tým Porta nadchl rubidium až do 18. let, byl to jen začátek. Dostat se na vyšší kvantová čísla – což má za následek silnější interakce na větší vzdálenosti mezi atomy, jakož i prodloužení životnosti strávil v excitovaného stavu – třeba kratší a kratší magie vlnové délky. Lasery, které emitují tyto kratší vlnové délky, nejsou tak široce dostupné jako lasery 1064 nm a při nejvyšších frekvencích se mohou stát nákladově neúnosnými. Nicméně magické vlnové délky jsou obrovským pokrokem pro fyziky, jako je Saffman., „Zachycuje jednotlivé atomy a přiměje je k interakci v gates, takže se stará více o nalezení jejich magických vlnových délek,“ říká Goldschmidt.
zatím tak dobré, ale magické vlnové délky a Rydberg excitace nestačí samy o sobě, aby vytvořily kvantový počítač. Chybí kvantový aspekt, který umožňuje qubit existovat v mnoha státech najednou, na rozdíl od binárních bitů, které mohou být pouze v jednom ze dvou stavů. Ve fyzice Rydberg je tento kvantový aspekt zajištěn zapletením.,
„zapletení se, že vám dává něco více, než můžete udělat s klasickým počítačem,“ vysvětluje Charles Adams, fyzik se Společným Kvantové Centra na Durham University ve velké BRITÁNII. Zapletení je produkováno interakcí atomů Rydberg s jinými nevypočitatelnými atomy kolem nich. V podstatě, Saffman to, KDO brána je zapletení stroje a účinnost brány závisí na „věrnost“ zapletení, které je definováno jako množství úspěšných výpočtů, že zapletený logická brána dosahuje ve srovnání k celkovému počtu pokusů.,
spuštění blokády
když jsou atomy qubity, úlohou fotonu je jednoduše excitovat atomy do jejich Rydbergových stavů. Adams však mimo jiné honil trochu jinou cenu: kvantový počítač vyrobený ze světla.
V takovém zařízení, spíše než atomy, je qubits, fotony by působit jako qubits místo. Okamžitě je tu potenciální showstopper. Fotony, které jsou hmotnostními částicemi, vzájemně neinteragují, a tak obvykle nemohou vytvářet logické brány., Vystavit je na Rydbergovy atomy, nicméně, a hra se mění, což fyziků vytvořit exotické fotonické státy a dokonce i „molekuly“ světla.
je to všechno možné díky cliquey povaze atomů Rydberg. Shromáždit blízko banda atomy rubidia (nebo stroncia, cesia, sodíku nebo bez ohledu na vaše oblíbené neutrální atom), je zchladili a poslat foton. Jeden z atomů je nadšený do Rydbergova stavu a interaguje s ostatními atomy kolem něj a mění jejich energetické hladiny., Takže když je do tohoto „rydbergova souboru“ vyslán druhý, identický foton, zjistí, že je náhle mimo melodii s jejich rezonanční frekvencí a nemůže je vzrušit. V podstatě, Rydbergovy atomy dát „blokády“ na vytvoření dalších Rydbergovy atomy z druhého fotonu v objemu asi 10 µm v průměru.
pro druhý foton je to však dobrá zpráva., „Znamená to, že druhý foton vidí jinou optickou odezvu na médium-účinně vidí jiný index lomu-takže chování média k druhému fotonu je velmi odlišné od prvního,“ říká Adams. Dokud jsou oba fotony stejné frekvence, rubidiový oblak se stává průhledným pro druhý foton, což je účinek nazývaný „elektromagneticky indukovaná průhlednost“., Obvykle by druhý foton závodil dopředu, ale index lomu rubidia cloud je změněn tak, že druhý foton zůstává blízko rydbergova souboru vzrušeného prvním fotonem.
Jako atomy nadšeni tím, že první foton vrátí do základního stavu po několika mikrosekund, pak nejen, že první foton pokračovat na své cestě, ale druhý foton je také možnost tvořit své vlastní Rydberg souboru, uvedení blokády na první foton., V této módní, dva fotony tlačit a táhnout sebe přes rubidium cloud rychlostí asi 400 m/s, až se objeví spolu, kvantový a zdánlivě vázán jako molekula.
v této situaci se atomy fotonů a rydbergu silně spojují, říká Michail Lukin z Harvardské univerzity v USA., On co-vytvořený blokády technika ve studené atomy v roce 2001 spolu s jeho kolegy Robina Cote, Michael Fleischhauer, Ignacio Cirac a Peter Zoller, a byl také první používat blokády k vytvoření těchto Rydberg-zvýšená molekuly světla v roce 2012 spolu s Vladanem Vuletić z Massachusetts Institute of Technology, USA.
„spojka znamená, že v podstatě tvoří novou kvazi-částici zvanou polariton, což je část světla a část atomů,“ vysvětluje Lukin., Atomová polovina polaritonu působí jako brzda fotonů, takže čím větší je atomová excitace, tím pomalejší je rychlost šíření fotonů přes rubidium. Lukin a Vuletić nyní pracují na opakování experimentu s více než dvěma fotony.
tyto interakce foton–foton se zásadně liší od toho, jak světlo normálně působí, a otevírají dveře pro použití zapletených fotonů jako obvodů kvantových počítačů. Ale atomové logické brány ještě nejsou z obrazu, říká Goldschmidt., Myslí si, že optické logické brány interagujících fotonů by byly lépe aplikovány na kvantové simulace než na kvantové výpočty samy o sobě.
kvantový simulátor, jak název napovídá, simuluje složité systémy spíše než je vypočítává. V podstatě je to kvantová verze počítačové simulace mnoha těl a byla by navržena tak, aby řešila konkrétní problémy., „V kvantové simulace máte interakcí mezi mnoha subjekty z vašeho kvantového systému a můžete tak simulovat některé jiné mnoho-tělo kvantového systému, aniž by se snaží implementovat kód s konkrétní brány,“ říká Goldschmidt.
Stolní zařízení
Vědci pracují na Rydberg fyziky mají jeden hlavní cíl, bez ohledu na to, zda Rydbergovy atomy sami budou obvody kvantové informační systémy, nebo zda fotony usnadněno Rydbergovy atomy vzít tuto roli., Jejich cílem je usilovat o vyšší věrnost manipulace s těmito logickými branami, aby se zvýšila kvalita jejich výstupu a poskytly se interní opravy chyb. Nejlepší cesta vpřed, předpokládá Lukin, je hybridní systém, přičemž na zpracování informací se podílejí atomy Rydberg a fotonové interakce.
„na našem přístupu je zajímavé, že nám umožňuje využívat to nejlepší z obou světů,“ říká. „Pro výpočet, možná budete chtít ukládat qubity pomocí atomů, ale komunikovat mezi uloženými qubity, ve skutečnosti byste chtěli použít fotony.,“
Adams jde ještě dále a spekulují, jak se kvantové počítače a simulátory by se jednou mohl stát stolních počítačích, není ochlazením jejich atomy neuvěřitelně mrazivé teploty, které zahrnuje velké přístroje a spoustu síly, ale tím, že pracují při pokojové teplotě. Adams a jeho kolegové na Durham byly prováděny experimenty s Rydbergovy atomy v „teplé“ páry až 50 °C, ale problém je Brownův pohyb, který následuje v teplé, aktivní atomy., Vzhledem k tomu, že fotony jsou uloženy v médiu jako vlna, tento pohyb ničí fázové informace, což znamená, že fotonický qubit nelze načíst. Přesto, pokud lze tuto a další výzvy překonat, pak Adams naznačuje, že může být možné vytvořit kvantový počítač, ve kterém fotony uložené ve virtuálních bublinách uložených procesem blokády Rydberg zprostředkovávají interakci, která tvoří optickou bránu. „Ale stále ještě nevíme, jak udělat tento druh integrovaného celoplošného obvodu,“ říká.
fyzika Rydberg není jedinou hrou ve městě, pokud jde o kvantové počítače., Zachycené ionty, supravodiče, diamanty a Bose–Einsteinovy kondenzáty jsou mimo jiné konkurenty kvantové koruny. Ale atomy Rydberg mají i jiné využití. Například výběrem souboru Rydberg na specifické rezonanční frekvenci-řekněme terahertz, nebo mikrovlnná trouba-by to mohlo fungovat jako sofistikovaný senzor, produkovat optický výstup, když zvedne tato pole., Photon–photon interakcí nuceni Rydberg blokády by mohlo vést dokonce k exotické stavy světla, které jsou považovány za krystalické nebo tekuté, kde interakce držet fotonů dohromady něco, co by mohlo vypadat jako světelný meč.
„rydbergova fyzika rostla v posledních deseti letech,“ říká Adams. „Tam jsou skupiny téměř všude teď dělá nějaký aspekt tohoto.“Je pozoruhodné, co Rydberg fyzika by mohla dosáhnout, vzhledem k tomu, ingredience jsou některé z nejjednodušších věcí ve vesmíru: atomy a fotony.,
- Journal of Physics B, z IOP Publishing – což také vydává Fyziky Světa – v současné době je uvolnění zaměřit se vydat na „Rydbergovy atomové fyziky“
- Užijte si zbytek. dubna 2016 vydání Světě Fyziky v naší digitální časopis nebo prostřednictvím Fyzikální Svět aplikace pro iOS nebo Android smartphonu nebo tabletu. Členství v Ústavu Fyziky požadované