Quantum tietokoneet tulevaisuudessa voisi toimia kautta energiaa siirtymiä innoissaan atomit, tai jopa puhdasta valoa, jos nopeasti kasvava alue, atomi fysiikka edelleen tavata menestys, kirjoittaa Keith Cooper
Varten fyysikot jahtaa holy grail kvanttilaskentaa, yksi maukas resepti on yleistymässä., Ripottele kourallinen atomeja – rubidium on suosittu ainesosa-tyhjiökammioon. Käsittele lasersäteillä atomien jäähdyttämiseksi pelkiksi murto-osiksi, jotka ovat asteen absoluuttisen nollan yläpuolella. Lisää sitten pari fotonia ja hei presto-olet luonut yhden kvanttitietokoneen perusrakenteista.
ainakin ”se on perusidea”, sanoo yhdysvaltalaisen Wisconsin–Madisonin yliopiston atomifyysikko Mark Saffman. Kaiken keskiössä ovat Rydbergin atomit, joilla on yksi ulompi valenssielektroni, joka voi innostua korkeammista kvanttitiloista. He ovat atomimaailman isoja isiä., Tyypillisesti fissiotuote on femtometres kooltaan, mutta Rydberg atom innoissaan valence electron voi matkustaa mikronia tumasta pysyen silti varmasti se, ballooning atomin säde miljardi-kertaiseksi kooltaan. Niin suuri reach, Rydberg atomi voi olla vuorovaikutuksessa muiden lähellä olevien atomien kautta voimakas sähköinen dipoli hetki miljoona kertaa parempi kuin ”tavallinen” atomeja. Se on tämä interaktiivinen valta – ja kyky hallita sitä yhdellä, huolella valittu fotoni – että tekee Rydberg-atomit niin voimakas voima maailmassa quantum information systems.,
Gateway technology
ytimessä tahansa tietokone – digitaalinen tai kvantti – on logiikka portit. Kvanttitietokone toimii atomiasteikolla, jossa kvanttimekaniikka hallitsee eli logiikkaportit on myös rakennettava atomeista. Ei OLE portti, esimerkiksi, on yksi tulo ja kaksi tilaa, 0 ja 1, mutta portin työtä se vaatii, että atomit eivät ole vain vuorovaikutuksessa, vaan että vuorovaikutus on hallinnassa. Rydberg-atomien sähköinen dipolivoima ja kyky hallita niiden herätettä tekevät niistä täydellisiä kvanttilogiikan porteille.,
Vuonna 2010 Saffman ja hänen kollegansa at Wisconsin osoittanut kykynsä rakentaa logiikka portit käyttämällä kahta neutraali rubidium-atomeja, jotka täydentävät tekemän työn johtama Philippe Grangier Institut d ’ optique Pariisin lähellä. Quantum versio EI portti on Ohjattu-EI, tai EI, portti, jossa rubidium-atomit itse ovat kvantti bittiä – tai ”qubits” – tietoa. Toisen nimi on ” control ”ja toisen”target”., Niiden perustila, josta urheilu eri hyperfine todetaan, että pidä kvantti-informaation, atomit eivät ole vuorovaikutuksessa – neljä mikronia erottaa ne voisi yhtä hyvin olla ääretön. Kuitenkin, jännittävä ohjaus atom osaksi Rydberg valtion polttamalla kaikuva fotoni sitä, että saa imeytyy, valence electron nousee korkeammalle energiatasolle, laajennetaan sen riittävän mahdollistaa vuorovaikutuksen kohde atom, ”flipping” ja jolloin EI gate toimimaan., ”Käyttämällä laser kiihottaa ohjaus atom, voimme kääntää vuorovaikutusta ja suorittaa meidän logiikka portti, ennen paluutaan atomit maahan valtion”, sanoo Saffman.
Aiemmissa kokeissa oli käytetty ioneja luoda CEI portit, mutta ongelma ioneja on, että on ladattu, ei ole helppo tapa vaihtaa niiden yhteisvaikutukset pois, joka rajoittaa kuinka monta voidaan yhdistää vakaa qubit. Neutraalit Rydbergin atomit eivät kuitenkaan kohtaa tätä ongelmaa. Se ei tarkoita, että Rydbergin atomit olisivat uusi kehitys-niistä on tiedetty 1800-luvun lopulta lähtien., Mikä on todella vauhdittanut kehitystä Rydberg fysiikka on ollut kynnyksellä laser ansastusta ja jäähdytys, joista Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji ja William Phillips jakaa Nobelin Fysiikan vuonna 1997. Juuri tämä fyysikkojen kyky pitää kiinni ja manipuloida yksittäisiä atomeja valon avulla on avannut Rydbergin atomeille mahdollisuuden käyttää eksoottisia uusia sovelluksia.
Koruttomasti siirtynyt
Laserit voidaan käyttää luomaan ”optinen dipoli ansa”, joka voi pitää ja viileä atomien pelkkä microkelvin absoluuttisen nollapisteen yläpuolella, tai jopa nanokelvin joissakin tapauksissa., Criss-crossing laserit, tämä menetelmä voidaan laajentaa 2D tai 3D optinen ristikko. Laserit ovat viritetty väri eroaa atom on kaikuva taajuus, välttää atomit absorboivat kaikki fotonit (joka antaa heille energiaa hypätä pois ansa). Tässä vaiheessa, ilmiö tunnetaan nimellä Stark vaikutus tulee pelata, mikä on muutos atomin energian tasoilla vastauksena sähkökentän vaihtovirta, kuten tuottaman sähkömagneettisen aallon. Maa-atomien energiatasot siirtyvät hieman pienempään energiaan., Voimakkain osa lasersäteitä, joka on missä ne rajat ristikko, sitten tulee mahdollisia hyvin, jolloin atomit tullut loukkuun, koska se on täällä, että he kokevat, että suurin muutos ja menettää eniten energiaa (kuva 1).
Kun loukkuun, atomit voi sitten olla innoissaan Rydbergin valtion polttamalla fotoni resonanssitaajuus niitä. Ongelmana on, että energian kaikuva fotoni voi täristää atomi ulos ansa, ja niin haku on ollut päällä ”magic aallonpituuksilla”, joka voi sekä ansa ja kiihottaa atomin samaan aikaan., Vuonna 2015, rakennus lähes vuosikymmenen verran työtä atomic fyysikot, ryhmä johti fyysikko Trey Porto Marylandin Yliopistossa on Yhteinen Quantum Institute, USA, todettiin, magic taajuus rubidium-atomit, jotka samanaikaisesti ansoja ne kaksi eri quantum valtioiden, jotka ovat pääasiallinen quantum numeroita, n = 5 ja n = 18 (Phys. Rev. A 91 032518). Toisin sanoen, ne voivat olla innoissaan on Rydberg valtion 18s, jossa virittynyt elektroni on 18 kiertoradalla, kun taas loput ansaan. Tämä maaginen aallonpituus vastaa noin 1064 nm: n infrapuna-aallonpituutta., By silkkaa onni, tämä on aallonpituus valmistettu Nd:YAG-laser, jota useimmat fyysikot käyttävät joka tapauksessa, koska se tarjoaa joitakin halvin laser teho käytettävissä. Tämä on erityisen tärkeää silloin, kun haluat paljon valtaa ilman konkurssien fysiikan osasto.
”Todellakin, meillä on ollut ovela ja poimi väri valo ansoja sekä Rydberg todeta, että olemme kiinnostuneita ja perustila”, sanoo fyysikko Elizabeth Goldschmidt, joka oli yksi Porton tiimin jäsenet ja on nyt perustuu YHDYSVALTAIN Armeijan tutkimuslaboratorio Maryland.,
Vaikka Porton joukkue innoissaan rubidium jopa 18s, se oli vain alkua. Päästä korkeampi quantum numerot – joka johtaa vahvempi vuorovaikutus suur etäisyydet atomien sekä laajentaa käyttöikä vietti vuonna innoissaan tilassa – sinun on lyhyempi ja lyhyempi magic aallonpituuksilla. Lasereita, jotka päästävät nämä lyhyemmät aallonpituudet eivät ole yhtä laajasti saatavilla kuin 1064 nm laseria ja korkeimmalla taajuudella, ne voivat olla kustannus-kohtuuttomat. Maagiset aallonpituudet ovat kuitenkin valtava edistysaskel fyysikoille, kuten Saffmanille., ”Hän pyydystää yksittäisiä atomeja ja saa ne toimimaan porteissa, joten hän välittää enemmän niiden maagisten aallonpituuksien löytämisestä”, Goldschmidt sanoo.
toistaiseksi niin hyvä, mutta magian aallonpituudet ja Rydbergin heräte eivät yksin riitä kvanttitietokoneen tekemiseen. Siitä puuttuu kvanttinäkökulma, joka mahdollistaa qubitin olemassaolon monissa osavaltioissa kerralla, toisin kuin binääribitit, jotka voivat olla vain yhdessä kahdesta osavaltiosta. Rydbergin fysiikassa tämä kvanttinäkökulma saadaan sotkeutumalla.,
”takertuminen on vähän, joka antaa sinulle jotain enemmän kuin voit tehdä klassisen tietokone”, kertoo Charles Adams, fyysikko kanssa Yhteinen Kvantti-Keskus Durhamin Yliopistossa iso-BRITANNIASSA. Sekaantuminen syntyy Rydbergin atomien vuorovaikutuksesta muiden ympärilleen kuulumattomien atomien kanssa. Pohjimmiltaan, Saffman on CEI portti on takertuminen koneen ja tehokkuuden gate riippuu ”fidelity” on takertuminen, joka on määritelty määrä onnistuneen laskelmat, jotka kietoutuvat logiikka portti saavutetaan verrattuna kokonaismäärä yritykset.,
Käynnissä saarto
Kun atomit ovat qubits, fotoni rooli on yksinkertaisesti kiihottaa atomien osaksi heidän Rydberg toteaa. Muun muassa Adams on kuitenkin tavoitellut hieman erilaista palkintoa: valosta tehtyä kvanttitietokonetta.
tällaisessa laitteessa fotonit toimisivat sen sijaan kvitteinä atomien sijaan. Heti on mahdollinen showstopperi. Fotonit, jotka ovat massattomia hiukkasia, eivät ole vuorovaikutuksessa keskenään, joten tavallisesti ne eivät voi luoda loogisia portteja., Altistaa heidät Rydberg-atomit, kuitenkin, ja peli muuttuu, jolloin fyysikot luoda eksoottisia fotoniikan valtioiden ja jopa ”molekyylit” valon.
kaikki on mahdollista Rydbergin atomien cliquey-luonteen ansiosta. Kerää tiivis nippu rubidiumatomeja (tai strontiumia, cesiumia, natriumia tai mitä tahansa suosikkiasi neutraalia atomia), jäähdytä ne ja lähetä fotoni. Yksi atomeista on innoissaan Rydbergin tilasta ja vuorovaikuttaa muiden sen ympärillä olevien atomien kanssa siirtäen niiden energiatasoja., Joten kun toinen, identtinen, fotoni lähetetään tähän ”Rydberg ensembleen”, se huomaa, että se on yhtäkkiä ristiriidassa niiden resonanssitaajuuden kanssa eikä voi kiihottaa niitä. Pohjimmiltaan, Rydbergin atomeja laittaa ”saarto” perustamista muiden Rydberg-atomit toisesta fotoni sisällä tilavuus ehkä 10 µm halkaisijaltaan.
toisen fotonin kohdalla se on kuitenkin hyvä uutinen., ”Se tarkoittaa, että toinen fotoni näkee eri optinen vastaus keskipitkän tehokkaasti se voi nähdä eri taitekerroin, joten käyttäytyminen keskipitkällä toinen fotoni on hyvin erilainen kuin ensimmäinen”, sanoo Adams. Niin kauan kuin kaksi fotonit ovat samalla taajuudella, rubidium pilvi tulee läpinäkyvä toisen fotonin, vaikutus, nimeltään ”sähkömagneettisesti aiheuttama avoimuus”., Tavallisesti toinen fotoni olisi rodun eteenpäin, mutta rubidium pilvi on taitekerroin on muutettu siten, että toinen fotoni pysyy lähellä Rydberg kokonaisuus innoissaan ensimmäinen fotoni.
Kuten atomit innoissaan ensimmäinen fotoni palaa maahan valtion muutaman mikrosekunnin, sitten ei vain voi ensimmäinen fotoni edelleen matkalla, mutta toinen fotoni on myös vapaasti muodostaa oman Rydberg kokonaisuus, laittamalla saarto ensimmäinen fotoni., Tässä muoti, kaksi fotonit työntää ja vetää toisiaan läpi rubidium pilvi noin 400 m/s, kunnes ne ilmenevät yhdessä, quantum sotkeutua ja näennäisesti sidottu kuin molekyyli.
tässä tilanteessa fotonit ja Rydbergin atomit kytkeytyvät voimakkaasti toisiinsa, sanoo Mihail Lukin Harvardin yliopistosta Yhdysvalloista., Hän co-luonut saarto tekniikka kylmässä atomien vuonna 2001 yhdessä hänen kollegansa Robin Cote, Michael Fleischhauer, Ignacio Cirac ja Peter Zoller, ja oli myös ensimmäinen, joka käyttää tiesulkuja luoda näitä Rydberg-parannettu molekyylejä valon vuonna 2012 yhdessä Vladan Vuletić Massachusetts Institute of Technology, USA.
”kytkentä tarkoittaa, että ne muodostavat olennaisesti uuden kvasihiukkasen, jota kutsutaan polaritoniksi, joka on osa valoa ja osa atomeja”, Lukin selittää., Atomic puolet polariton toimii jarru fotonit, joten suurempi atomic heräte, hitaampi etenemisnopeus fotonit läpi rubidium. Lukin ja Vuletić pyrkivät nyt toistamaan kokeilua yli kahdella fotonilla.
Nämä fotoni–fotoni-vuorovaikutusten ovat pohjimmiltaan erilaisia, miten valo toimii normaalisti ja ne avata oven käyttäen kietoutuvat fotonien kuin piirien kvanttitietokoneet. Atomic logic gates ei kuitenkaan ole vielä poissa kuvioista, Goldschmidt sanoo., Hän ajattelee, että optinen logiikka portit vuorovaikutuksessa fotonit olisi parempi soveltaa quantum simulaatioiden sijaan, että kvanttilaskentaa sinänsä.
kvanttisimulaattori nimensä mukaisesti simuloi kompleksisia järjestelmiä eikä laske niitä. Pohjimmiltaan, se on quantum versio atk-monet-elin simulointi ja olisi suunniteltu käsittelemään erityisiä ongelmia., ”In quantum simulointi sinulla on yhteisvaikutuksia monien elinten teidän quantum-järjestelmä, ja voit siten simuloida joitakin muita monia kehon kvantti järjestelmän ilman yrittää toteuttaa koodia, joilla on erityisiä gates”, sanoo Goldschmidt.
Desktop-laitteita
Tutkijat työskentelevät Rydberg fysiikka on yksi tärkein tavoite, riippumatta siitä, onko Rydberg-atomit itse ovat piirit quantum information systems, tai onko fotonit helpottaa Rydberg-atomit ottaa se rooli., Niiden tavoitteena on edistää korkea-fidelity manipulointi nämä logiikka portit lisätä laatua tuotantoaan ja tarjoavat sisäinen virhe korjauksia. Paras etenemistapa, visioi Lukin, on hybridijärjestelmä, jossa Rydbergin atomit ja fotonien vuorovaikutukset ovat molemmat mukana tietojenkäsittelyssä.
”kiinnostavaa lähestymistavassamme on se, että sen avulla voimme hyödyntää molempien maailmojen parasta”, hän sanoo. ”Laskentaa varten kannattaa ehkä tallentaa kvittejä atomien avulla, mutta kommunikoidakseen tallennettujen kvittien välillä, itse asiassa haluaisi käyttää fotoneja.,”
Adams menee vielä pidemmälle, spekuloidaan, miten quantum tietokoneet ja simulaattorit voisi jonain päivänä tulla työpöydän koneita, ei jäähdyttämällä niiden atomien uskomattoman kylmä lämpötila, johon liittyy suuri laite, ja paljon voimaa, mutta toimii huoneenlämmössä. Adams ja hänen kollegansa at Durham on suoritettu kokeiluja Rydberg-atomit ”hot” höyryt jopa 50 °C, mutta ongelma on Brownin liike, joka ensues lämmin, energinen atomeja., Koska fotonit ovat tallennettu keskipitkällä aalto, tämä liike tuhoaa vaiheessa tietoa, mikä tarkoittaa, että fotoni kubitti voi olla haettu. Silti, jos tämä ja muut haasteet voidaan voittaa, sitten Adams viittaa siihen, se voi olla mahdollista rakentaa kvantti tietokone, jossa fotonit tallennettu virtuaalinen kuplia asettamat Rydberg saarto prosessin välittäjänä vuorovaikutus, joka muodostaa optisen portin. ”Mutta olemme vielä jossain vaiheessa osaamassa tehdä tällaista integroitua kaikenoptista piiriä”, hän sanoo.
Rydbergin fysiikka ei ole kaupungin ainoa peli kvanttitietokoneissa., Muun muassa loukussa olevat ionit, suprajohtimet, timantit ja Bose–Einsteinin kondensaatit ovat kilpailijoita kvanttikruunulle. Mutta Rydbergin atomeilla on muitakin käyttötarkoituksia. Esimerkiksi valitsemalla Rydberg kokonaisuus tiettyyn kaikuva taajuus – sanoa terahertsisäteily, tai mikroaaltouuni – se voisi toimia hienostunut anturi, tuottaa optinen ulostulo, kun se poimii kyseiset kentät., Fotoni–fotoni-vuorovaikutusten pakko Rydberg tiesulkuja voisi johtaa jopa eksoottisia valtioita valoa, joka pidetään kiteinen tai neste, jossa interaktio pidä fotonit yhdessä jotain, joka voisi näyttää valosapelin.
”Rydbergin fysiikan vauhti on kasvanut koko viime vuosikymmenen ajan”, Adams sanoo. ”Lähes kaikkialla on nyt ryhmiä, jotka tekevät jotakin tästä.”On merkillistä, mitä Rydbergin fysiikka voisi saavuttaa, kun otetaan huomioon, että aineosat ovat maailmankaikkeuden yksinkertaisimpia asioita: atomeja ja fotoneja.,
- Journal of Physics B, IOP Publishing – joka julkaisee myös Fysiikan Maailma – on tällä hetkellä vapauttaen keskittyä kysymys ”Rydberg atomi fysiikka”
- Nauti loput. huhtikuuta 2016, kysymys Fysiikan Maailmassa meidän digitaalisen lehden kautta tai Fysiikan Maailmassa sovellus tahansa iOS-tai Android-älypuhelin tai tabletti. Jäsenyys Institute of Physics vaaditaan