Kvante-computere i fremtiden kan betjene via den energi, overgange af exciterede atomer eller endda fra rene lys, hvis et hastigt voksende område af atomare fysik fortsætter med at mødes med succes, skriver Keith Cooper
For fysikere jagter den hellige gral af quantum computing, en velsmagende opskrift bliver mere og mere udbredt., Drys en håndfuld atomer-rubidium er en populær ingrediens-i et vakuumkammer. Behandl med laserstråler for at afkøle atomerne til blotte fraktioner af en grad over absolut nul. Tilføj derefter et par fotoner og hey presto – du har oprettet en af de grundlæggende byggesten i en kvantecomputer.
i det mindste “det er den grundlæggende id.”, siger Mark Saffman, en atomfysiker ved University of .isconsin–Madison i USA. Centralt for det hele er Rydbergatomer, som har en enkelt ydre valenselektron, der kan spændes til højere kvantetilstande. De er atomverdenens store far., Typisk er en atomkerne femtometer i størrelse, men i et Rydberg-atom kan den ophidsede valenselektron rejse mikron fra kernen, mens den stadig er bundet til den, ballonerer atomradius en milliard gange i størrelse. Med en så stor rækkevidde kan et Rydberg-atom interagere med andre nærliggende atomer via et kraftigt elektrisk dipol-øjeblik en million gange bedre end “almindelige” atomer. Det er denne interaktive kraft – og evnen til at kontrollere den med en enkelt, omhyggeligt valgt foton – der gør Rydberg-atomer til en så stærk kraft i kvanteinformationssystemernes verden.,
Gate .ay teknologi
kernen i enhver computer – digital eller kvante – er logiske porte. En kvantecomputer arbejder på atomskalaen, hvor kvantemekanik regerer, hvilket betyder, at de logiske porte også skal bygges ud af atomer. En ikke-Port har for eksempel en enkelt indgang og to tilstande, 0 og 1, men for at porten skal fungere, kræver det, at atomerne ikke bare interagerer, men at interaktionen styres. Rydbergatomernes elektriske dipolstyrke og vores evne til at kontrollere deres e .citation gør dem perfekte til kvantelogiske porte.,
I 2010 Saffman og hans kolleger på Wisconsin demonstreret evne til at opbygge logiske gates, ved hjælp af to neutrale rubidium atomer, supplere det arbejde, der udføres af et team ledet af Philippe Grangier på Institut d’Optique nær Paris. Kvanteversionen af en ikke-Port er den kontrollerede – ikke eller CNOT – port, hvor rubidiumatomerne i sig selv er kvantebits-eller “quubits” – af information. Den ene er mærket “control”, og den anden “target”., I deres jordtilstand, som sport forskellige hyperfine stater, der holder kvanteinformationen, interagerer atomerne ikke – de fire mikron, der adskiller dem, kan lige så godt være en uendelig. Imidlertid, ved at spænde kontrolatomet ind i Rydberg-staten ved at affyre en resonansfoton mod den, der bliver absorberet, valenselektronen stiger til et højere energiniveau, udvide dens rækkevidde tilstrækkeligt til at tillade en interaktion med målatomet, “vende” det og lade CNOT-porten fungere., “Ved at bruge laseren til at begejstre kontrolatomet, kan vi tænde interaktionen og udføre vores logikport, før vi returnerer atomerne til jordtilstanden,” siger Saffman.
Foregående eksperimenter havde brugt ioner til at skabe CIKKE gates, men problemet med ioner er, at der bliver opkrævet, er der ingen nem måde at skifte deres interaktioner off, hvilket begrænser, hvor mange kan kombineres til en stabil farsere. Neutrale Rydberg-atomer står imidlertid ikke over for dette problem. Det er ikke til at sige, at Rydberg atomer er en ny udvikling – de har været kendt siden slutningen af 1800-tallet., Hvad der virkelig har ansporet til udvikling af Rydberg fysik har været fremkomsten af laser fældefangst og køling, som Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, og William Phillips delte Nobelprisen i Fysik i 1997. Det er fysikernes evne til at holde og manipulere individuelle atomer ved hjælp af lys, der har åbnet vejen for Rydberg-atomer, der kan bruges i eksotiske nye applikationer.
skarpt skiftet
lasere kan bruges til at skabe en “optisk dipolfælde”, der kan holde og afkøle atomer til blot microkelvin over absolut nul, eller endda ned til nanokelvin i nogle tilfælde., Ved at krydse laserne kan denne metode udvides til et 2D-eller 3D-optisk gitter. Laserne er indstillet til en farve, der adskiller sig fra atomets resonansfrekvens, for at undgå at atomerne absorberer nogen af fotonerne (hvilket ville give dem energi til at hoppe ud af fælden). På dette tidspunkt kommer et fænomen kendt som Stark-effekten i spil, hvilket er skiftet i et atoms energiniveau som reaktion på et elektrisk felt af vekselstrøm, som i det, der produceres af en elektromagnetisk bølge. For jordstatsatomer skiftes energiniveauet til en lidt lavere energi., Den mest intense del af laserstrålerne, hvor de krydser i gitteret, bliver derefter en potentiel brønd, hvor atomerne bliver fanget, fordi det er her, de oplever det største skift og mister mest energi (figur 1).
når atomerne er fanget, kan de derefter spændes til Rydbergstaten ved at affyre en foton af resonansfrekvens på dem. Problemet er, at resonansfotonens energi kan ryste atomet ud af fælden, og derfor har søgningen været på for “magiske bølgelængder”, der både kan fange og begejstre et atom på samme tid., I 2015, der bygger på næsten et årti er værd af arbejde, som atomfysiker, en gruppe ledet af fysikeren Trey Porto ved University of Maryland ‘ s Fælles Quantum Institute, USA, har fundet en magisk frekvens rubidium atomer, der samtidig fælder dem i to forskellige kvantetilstande, som har de vigtigste quantum numre n = 5 og n = 18 (Phys. Rev. A 91 032518). Med andre ord kan de være begejstrede for en Rydberg-tilstand på 18 ‘erne, hvor den ophidsede elektron er i 18’ ernes orbital, mens den forbliver i fælden. Denne magiske bølgelængde svarer til en infrarød bølgelængde på omkring 1064 nm., Ved et rent held er dette bølgelængden produceret af en Nd:YAG laser, som de fleste fysikere bruger alligevel, fordi det giver nogle af de billigste laserkraft til rådighed. Det er især vigtigt, når du vil have en masse magt uden at konkurs din fysikafdeling.
“Virkelig, vi har været luskede og tog en farve af lys, der fælder både Rydberg, at vi er interesseret i, og jorden tilstand,” siger fysiker Elizabeth Goldschmidt, der var én af Porto ‘ s team medlemmer og er nu baseret på US Army Research Laboratory i Maryland.,selvom Portos team spændte rubidium op til 18 ‘ erne, var det kun en start. For at komme til højere kvantetal – hvilket resulterer i stærkere interaktioner på tværs af større afstande mellem atomer samt forlængelse af levetiden brugt i ophidset tilstand-har du brug for kortere og kortere magiske bølgelængder. Lasere, der udsender disse kortere bølgelængder, er ikke så bredt tilgængelige som 1064 nm lasere, og ved de højeste frekvenser kan de blive omkostningsforbudte. Ikke desto mindre er de magiske bølgelængder et stort fremskridt for fysikere som Saffman., “Han fælder individuelle atomer og får dem til at interagere i porte, så han bekymrer sig mere om at finde deres magiske bølgelængder,” siger Goldschmidt.
indtil videre så godt, men magiske bølgelængder og Rydberg-e .citation er ikke nok på egen hånd til at lave en kvantecomputer. Hvad der mangler er kvanteaspektet, der tillader en quubit at eksistere i mange stater på manyn gang, i modsætning til binære bits, der kun kan være i en af to stater. I Rydbergfysik tilvejebringes dette kvanteaspekt gennem sammenfiltring.,
“Den druknede er den del, der giver dig noget mere, end du kan gøre med en klassisk computer,” forklarer Charles Adams, en fysiker med Fælles Quantum Center ved Durham University i STORBRITANNIEN. Sammenfiltringen er produceret af samspillet mellem Rydberg-atomer med andre uudvidede atomer omkring dem. I det væsentlige er Saffmans CNOT-port en sammenfiltringsmaskine, og portens effektivitet afhænger af “fidelity” af sammenfiltringen, som defineres som mængden af vellykkede beregninger, som den sammenfiltrede logikport opnår i forhold til det samlede antal forsøg.,
kører blokaden
Når atomerne er quubits, er fotonens rolle simpelthen at begejstre atomerne i deres Rydbergstater. Imidlertid har Adams blandt andet jaget en lidt anden præmie: en kvantecomputer lavet af lys.
i en sådan enhed, snarere end atomerne er atubits, ville fotonerne fungere som insteadubits i stedet. Umiddelbart er der en potentiel Sho .stopper. Fotoner, der er masseløse partikler, interagerer ikke med hinanden og kan normalt ikke skabe logiske porte., Udsæt dem imidlertid for Rydberg-atomer, og spillet ændres, så fysikere kan skabe eksotiske fotoniske tilstande og endda “molekyler” af lys.
det er alt muligt takket være Rydbergatomernes klike natur. Saml en tæt flok rubidiumatomer (eller strontium, cæsium, natrium eller hvad dit yndlingsneutrale atom er), afkøle dem og send en foton ind. Et af atomerne er begejstret for Rydberg-staten og interagerer med de andre atomer omkring det, der skifter deres energiniveau., Så når en anden, identisk foton sendes ind i dette “Rydberg-ensemble”, finder det ud af, at det pludselig er ude af trit med deres resonansfrekvens og ikke kan begejstre dem. I det væsentlige satte Rydberg-atomerne en” blokade ” på oprettelsen af andre Rydberg-atomer fra en anden foton inden for et volumen måske 10 µm i diameter.
for den anden foton er det imidlertid gode nyheder., “Det betyder, at den anden foton ser en anden optisk svar til medium – effektivt, kan det se forskellige brydningsindeks – så adfærd medium til den anden foton er meget forskellig fra den første,” siger Adams. Så længe de to fotoner har samme frekvens, bliver rubidiumskyen gennemsigtig for den anden foton, en effekt kaldet “elektromagnetisk induceret gennemsigtighed”., Normalt vil den anden foton køre fremad, men rubidiumskyens brydningsindeks ændres på en sådan måde, at den anden foton forbliver tæt på Rydberg-ensemblet begejstret af den første foton.
Som atomerne exciteres af den første foton vende tilbage til grundtilstanden efter et par mikrosekunder, så ikke blot kan den første foton fortsætte på sin vej, men den anden foton er også fri til at danne sin egen Rydberg ensemble, sætte en blokade på den første foton., På denne måde skubber og trækker de to fotoner hinanden gennem rubidiumskyen på omkring 400 m/s, indtil de dukker op sammen, kvanteforviklet og tilsyneladende bundet som et molekyle.
i denne situation bliver fotoner og Rydberg-atomer stærkt koblet, siger Mikhail Lukin fra Harvard University, USA., Han co-skabt blokaden teknik i kolde atomer i 2001 sammen med sine kolleger Robin Cote, Michael Fleischhauer, Ignacio Cirac og Peter Zoller, og var også de første til at bruge blokader til at skabe disse Rydberg-forbedret molekyler af lys i 2012 sammen med Vladimir Vuletić af Massachusetts Institute of Technology, USA.
“koblingen betyder, at de i det væsentlige danner en ny kvasi-partikel kaldet en polariton, som er Dellys og delatomer,” forklarer Lukin., Atomic halvdelen af polariton virker som en bremse for fotonerne, så de større atom excitation, jo langsommere udbredelse hastighed af fotoner gennem rubidium. Lukin og Vuleti.arbejder nu på at gentage eksperimentet med mere end to fotoner.
disse foton–foton-interaktioner er grundlæggende forskellige fra, hvordan lys normalt virker, og de åbner døren for at bruge sammenfiltrede fotoner som kredsløb af kvantecomputere. Men atomlogikporte er ikke ude af billedet endnu, siger Goldschmidt., Hun mener, at de optiske logiske porte af de interagerende fotoner ville blive bedre anvendt til kvantesimuleringer snarere end kvanteberegning i sig selv.
en kvantesimulator, som navnet antyder, simulerer komplekse systemer snarere end beregner dem. I det væsentlige er det en kvanteversion af en computeriseret flerkropssimulering og ville være designet til at tackle specifikke problemer., “I en kvantesimulering har du interaktioner mellem de mange kroppe i dit kvantesystem, og du kan således simulere et andet kvantesystem med mange kroppe uden at forsøge at implementere kode med specifikke porte,” siger Goldschmidt.
Desktop-enheder
forskere, der arbejder med Rydberg-fysik, har et hovedmål, uanset om Rydberg-atomerne selv vil være kredsløbene i kvanteinformationssystemer, eller om fotoner, der er lettet af Rydberg-atomer, tager den rolle., Deres mål er at presse på for højere fidelity manipulation af disse logiske porte for at øge kvaliteten af deres output og give interne fejlkorrektioner. Den bedste vej frem, forestiller Lukin, er et hybridsystem, hvor Rydberg-atomer og fotoninteraktioner begge er involveret i informationsbehandlingen.
“det interessante ved vores tilgang er, at det giver os mulighed for at udnytte det bedste fra begge verdener,” siger han. “Til computing vil du måske gemme .ubits ved hjælp af atomer, men for at kommunikere mellem de lagrede .ubits vil du faktisk gerne bruge fotoner.,”
Adams går endnu videre, at spekulere i, hvordan quantum computere og simulatorer kunne en dag blive desktop-maskiner, ikke ved køling deres atomer til utroligt lave temperaturer, som indebærer store apparater og masser af power, men ved at fungere ved stuetemperatur. Adams og hans kolleger i Durham har udført eksperimenter med Rydberg-atomer i “varme” dampe op til 50.C, men problemet er den bruniske bevægelse, der følger med de varme, energiske atomer., Da fotoner gemmes i mediet som en bølge, ødelægger denne bevægelse faseinformationen, hvilket betyder, at den fotoniske quubit ikke kan hentes. Stadig, hvis denne og andre udfordringer kan overvindes, foreslår Adams, at det kan være muligt at opbygge en kvantecomputer, hvor fotoner, der er gemt i virtuelle bobler pålagt af Rydberg-blokadeprocessen, formidler en interaktion, der danner en optisk port. “Men vi er stadig et stykke væk fra at vide, hvordan man gør denne form for integreret altoptisk kredsløb,” siger han.Rydbergfysik er ikke det eneste spil i byen, når det kommer til kvantecomputere., Fangede ioner, superledere, diamanter og Bose–Einstein-kondensater er blandt andet konkurrenter til kvantekronen. Men Rydberg atomer har andre anvendelser også. For eksempel ved at vælge et Rydberg – ensemble ved en bestemt resonansfrekvens – siger terahert.eller mikrobølgeovn-kan det fungere som en sofistikeret sensor, der producerer en optisk udgang, når den henter disse felter., Foton-foton-interaktioner tvunget af Rydberg-blokader kan endda føre til eksotiske lystilstande, der betragtes som krystallinske eller flydende, hvor interaktionerne holder fotonerne sammen i noget, der kan se ud som et lyssværd.”Rydbergfysik er vokset i fart gennem det sidste årti,” siger Adams. “Der er grupper næsten overalt nu gør nogle aspekter af dette.”Det er bemærkelsesværdigt, hvad Rydbergfysik kunne opnå, i betragtning af at ingredienserne er nogle af de enkleste ting i universet: atomer og fotoner.,
- Tidende Fysik B, fra IOP Forlag – som også udgiver Fysik Verden – er i øjeblikket ved at slippe fokus på “Rydberg atom-fysik”
- Nyd resten af April 2016 spørgsmålet om Fysik Verden i vores digitale magasin eller via Fysik Verden app til enhver iOS-eller Android-smartphone eller tablet. Medlemskab af Institut for Fysik kræves