Kvantová paměť - Quantum memory
|
Jednotky z informací |
| Informační teoretik |
|---|
| Datové úložiště |
| Kvantové informace |
| Část série na |
| Kvantová mechanika |
|---|
V kvantové práce na počítači , kvantová paměť je kvantově-mechanické verze obyčejné paměti počítače . Zatímco běžná paměť ukládá informace jako binární stavy (reprezentované „1“ sa „0“), kvantová paměť ukládá kvantový stav pro pozdější načítání. Tyto stavy obsahují užitečné výpočetní informace známé jako qubits . Na rozdíl od klasické paměti běžných počítačů mohou být stavy uložené v kvantové paměti v kvantové superpozici , což poskytuje mnohem praktičtější flexibilitu v kvantových algoritmech než klasické ukládání informací.
Kvantová paměť je nezbytná pro vývoj mnoha zařízení při zpracování kvantových informací , včetně synchronizačního nástroje, který může odpovídat různým procesům v kvantovém počítači , kvantové brány, která udržuje identitu jakéhokoli stavu, a mechanismu pro převod předem určených fotonů na -dotaz fotonů. Kvantová paměť může být použita v mnoha aspektech, jako je kvantové výpočty a kvantová komunikace. Kontinuální výzkum a experimenty umožnily kvantové paměti realizovat ukládání qubitů.
Pozadí a historie
Interakce kvantového záření s více částicmi vyvolala v posledním desetiletí vědecký zájem. Kvantová paměť je jedno takové pole, mapující kvantový stav světla na skupinu atomů a poté jej navracet do původního tvaru. Kvantová paměť je klíčovým prvkem při zpracování informací, jako jsou optické kvantové výpočty a kvantová komunikace , a zároveň otevírá novou cestu pro základ interakce světla a atomu. Obnova kvantového stavu světla však není snadný úkol. I když bylo dosaženo působivého pokroku, vědci stále pracují na jeho uskutečnění.
Kvantová paměť založená na kvantové výměně je možné ukládat fotonové qubity Kessel a Moiseev diskutovali o kvantovém ukládání ve stavu jediného fotonu v roce 1993. Experiment byl analyzován v roce 1998 a prokázán v roce 2003. Stručně řečeno, studie kvantového ukládání v jediném fotonový stav lze považovat za produkt klasické technologie optického ukládání dat navržené v letech 1979 a 1982. Nejen to, ale tato myšlenka byla inspirována vysokou hustotou ukládání dat v polovině 70. let. Optického ukládání dat lze dosáhnout použitím absorbérů k absorbování různých frekvencí světla, které jsou poté směrovány do bodů paprskového prostoru a uloženy.
Typy
Světelná kvantová paměť
Normální, klasické optické signály se přenášejí změnou amplitudy světla. V takovém případě lze k uložení informací na lampě použít kousek papíru nebo pevný disk počítače. Ve scénáři kvantové informace však může být informace kódována podle amplitudy a fáze světla. U některých signálů nemůžete měřit amplitudu i fázi světla, aniž byste rušili signál. Aby bylo možné ukládat kvantové informace, je třeba ukládat samotné světlo bez měření. Světlo pro kvantovou paměť zaznamenává stav světla do atomového mraku. Když je světlo absorbováno atomy, mohou zadat všechny informace o kvantu světla.
Pevná kvantová paměť
V klasických počítačích je paměť triviální zdroj, který lze replikovat v hardwaru s dlouhou životností a později jej získat pro další zpracování. V kvantové práce na počítači, to je zakázáno, protože v závislosti na žádný klon teorém , jakýkoliv kvantový stav nelze reprodukovat úplně. Proto při absenci korekce kvantové chyby je ukládání qubitů omezeno dobou vnitřní koherence fyzických qubitů, které drží informace. „Kvantová paměť“ nad dané limity úložiště fyzických qubitů, bude se jednat o přenos kvantové informace do „ukládání qubitů“, „ukládání qubitů“ není snadno ovlivňováno hlukem prostředí a dalšími faktory, a poté v případě potřeby informace zpět na preferované „process qubits“, umožňující rychlý provoz nebo čtení.
Objev
Optická kvantová paměť se obvykle používá k detekci a ukládání kvantových stavů jednotlivých fotonů . Výroba takové účinné paměti je však pro současnou vědu stále velkou výzvou. Jediný foton má příliš nízkou energii na to, aby se ztratil ve složitém světlém pozadí. Tyto problémy již dlouho potlačovaly kvantové rychlosti ukládání pod 50%. Tým vedený profesorem Du Shengwangem z katedry fyziky na hongkonské univerzitě vědy a technologie a Williamem Mongem Institute of Nano Science and Technology na HKUST našel způsob, jak zvýšit účinnost optické kvantové paměti na více než 85 procent. Objev také přibližuje popularitu kvantových počítačů realitě. Současně lze kvantovou paměť použít také jako opakovač v kvantové síti, který tvoří základ kvantového internetu.
Výzkum a aplikace
Kvantová paměť je důležitou součástí aplikací pro zpracování kvantových informací, jako je kvantová síť , kvantový opakovač, lineární optický kvantový výpočet nebo kvantová komunikace na velké vzdálenosti .
Optické ukládání dat je již mnoho let důležitým výzkumným tématem. Jeho nejzajímavější funkcí je použití zákonů kvantové fyziky k ochraně dat před krádeží, prostřednictvím kvantového výpočtu a kvantové kryptografie bezpodmínečně zaručené bezpečnosti komunikace.
Umožňují superponování částic a ve stavu superpozice , což znamená, že mohou představovat více kombinací najednou. Tyto částice se nazývají kvantové bity neboli qubity. Z pohledu kybernetické bezpečnosti je kouzlo qubitů v tom, že pokud se je hacker pokusí pozorovat při přenosu, jejich křehké kvantové stavy se rozbijí. To znamená, že hackeři nemohou manipulovat se síťovými daty bez zanechání stopy. Mnoho společností nyní využívá tuto funkci k vytváření sítí, které přenášejí vysoce citlivá data. Teoreticky jsou tyto sítě zabezpečené.
Skladování v mikrovlnné troubě a přeměna mikrovlnné nauky
Centrum uvolňování dusíku v diamantu přilákalo v uplynulém desetiletí mnoho výzkumů díky svému vynikajícímu výkonu v optických nanofotonických zařízeních. V nedávném experimentu byla elektromagneticky indukovaná průhlednost implementována na víceprůchodovém diamantovém čipu, aby bylo dosaženo plného fotoelektrického snímání magnetického pole. Navzdory těmto úzce souvisejícím experimentům musí být optické úložiště v praxi ještě implementováno. Struktura energetické úrovně stávajícího centra pro uvolňování dusíku (negativní náboj a neutrální centrum pro uvolňování dusíku) umožňuje optické ukládání diamantového centra pro uvolňování dusíku.
Spojení mezi dusíkem uvolněným spinovým souborem a supravodivými qubity poskytuje možnost mikrovlnného skladování supravodivých qubitů. Optické úložiště kombinuje vazbu elektronového spinového stavu a supravodivých kvantových bitů, což umožňuje, aby centrum volného dusíku v diamantu hrálo roli v hybridním kvantovém systému vzájemné přeměny koherentního světla a mikrovln.
Orbitální moment hybnosti je uložen v alkalických parách
Velká hloubka rezonančního světla je předpokladem pro konstrukci efektivní kvantově-optické paměti. Izotopy par alkalických kovů s velkým množstvím optické hloubky vlnové délky blízké infračervené oblasti , protože jsou relativně úzké spektrální linie a počet vysokých hustot za tepla 50 - 100 ° C. Alkalické páry byly použity v některých z nejvíce důležitý vývoj paměti, od raného výzkumu po nejnovější výsledky, o kterých diskutujeme, kvůli jejich vysoké optické hloubce, dlouhé koherentní době a snadnému optickému přechodu v blízké infračervené oblasti.
Díky své vysoké schopnosti přenosu informací se lidé stále více zajímají o její aplikaci v oblasti kvantových informací. Strukturované světlo může nést orbitální moment hybnosti , který musí být uložen v paměti, aby věrně reprodukoval uložené strukturní fotony. K ukládání takových paprsků je ideální kvantová paměť atomových par, protože orbitální moment hybnosti fotonů lze mapovat na fázi a amplitudu distribuované integrační excitace. Difúze je hlavním omezením této techniky, protože pohyb horkých atomů ničí prostorovou koherenci akumulační excitace. Časné úspěchy zahrnovaly ukládání slabě koherentních pulzů prostorové struktury v teplém, ultrachladném atomovém celku. V jednom experimentu byla stejná skupina vědců v magnetooptické pasti cesia schopna ukládat a získávat vektorové paprsky na úrovni jednoho fotonu. Paměť zachovává rotační invariantnost vektorového paprsku, což umožňuje její použití ve spojení s qubity kódovanými pro nesprávně nastavenou imunitní kvantovou komunikaci.
První skladovací struktura, skutečný jediný foton, byla dosažena elektromagneticky indukovanou průhledností v magneticko-optické pasti rubidia. Předpovídaný jediný foton generovaný spontánním čtyřvlnným mícháním v jedné magnetooptické pasti je připraven orbitální jednotkou momentu hybnosti pomocí desek spirálové fáze, uložen ve druhé magnetooptické pasti a obnoven. Nastavení duální oběžné dráhy také dokazuje koherenci v multimódové paměti, kde předem ohlášený jediný foton ukládá stav superpozice orbitální momentové hybnosti po dobu 100 nanosekund.
KLENOT
GEM (Gradient Echo Memory) je technologie optického ukládání fotonické ozvěny . Myšlenku poprvé prokázali vědci z ANU . Jejich experiment je tříúrovňový systém založený na páře. Tento systém je nejúčinnější, jaký jsme kdy viděli v horkých parách, a to až 87%.
Elektromagneticky indukovaná průhlednost
Elektromagneticky indukovaná transparentnost (EIT) byla poprvé představena Harrisem a jeho kolegy na Stanford University v roce 1990. Práce ukázala, že když laserový paprsek způsobí kvantovou interferenci mezi excitačními cestami, optická odezva atomového média je upravena tak, aby eliminovala absorpci a lom na rezonančních frekvencích atomových přechodů. Na základě EIT lze dosáhnout pomalého světla, optického úložiště a kvantových pamětí. Na rozdíl od jiných přístupů má EIT dlouhou dobu skladování a jeho implementace je relativně snadným a levným řešením. Například elektromagneticky indukovaná průhlednost nevyžaduje vysoce výkonné řídicí paprsky, které jsou obvykle potřebné pro Ramanovy kvantové paměti, ani nevyžaduje použití teplot kapalného helia . Kromě toho může fotonová ozvěna číst EIT, zatímco spinová koherence přežívá kvůli časovému zpoždění čtecího pulzu způsobeného zotavením spinu v nerovnoměrně rozšířeném médiu. Ačkoli existují určitá omezení na provozní vlnové délce, šířce pásma a kapacitě režimu, byly vyvinuty techniky, díky nimž jsou kvantové paměti založené na EIT cenným nástrojem při vývoji kvantových telekomunikačních systémů . V roce 2018 prokázala vysoce účinná optická paměť založená na EIT ve studeném atomu 92% účinnost ukládání a načítání v klasickém režimu s koherentními paprsky a 70% účinnost ukládání a načítání byla prokázána pro polarizační qubits kódované ve slabém koherentním státy, což překonává jakékoli klasické měřítko. Po těchto demonstracích, jednofotonové polarizace qubits pak byly uloženy prostřednictvím ETI v 85 Rb studené atomové souboru a vyvolány s 85% účinností jako a zapletení mezi dvěma cesia na bázi kvantových pamětí bylo dosaženo také s celkovým blízko účinnost přenosu do 90%.
Krystaly dotované vzácnými zeminami
Na vzájemnou transformaci kvantové informace mezi světlem a hmotou se zaměřuje kvantová informatika . Je zkoumána interakce mezi jediným fotonem a ochlazeným krystalem dopovaným ionty vzácných zemin . Krystaly dotované vzácnými zeminami mají široké vyhlídky na uplatnění v oblasti kvantového ukládání, protože poskytují jedinečný aplikační systém. Li Chengfeng z kvantové informační laboratoře Čínské akademie věd vyvinul kvantovou paměť v pevném stavu a demonstroval výpočetní funkci fotonů pomocí času a frekvence. Na základě tohoto výzkumu je možné vybudovat rozsáhlou kvantovou síť založenou na kvantovém opakovači využitím úložiště a koherence kvantových stavů v hmotném systému. Vědci poprvé ukázali krystaly dopované ionty vzácných zemin. Kombinací trojrozměrného prostoru s dvourozměrným časem a dvourozměrným spektrem se vytvoří druh paměti, který se liší od obecné. Má multimode kapacitu a může být také použit jako vysoce věrný kvantový převodník. Experimentální výsledky ukazují, že ve všech těchto operacích může být věrnost trojrozměrného kvantového stavu neseného fotonem udržována na přibližně 89%.
Ramanův rozptyl v pevných látkách
Diamond má velmi vysoký Ramanův zisk v režimu optického fononu 40 THz a má široké přechodové okno ve viditelném a blízkém infračerveném pásmu, díky čemuž je vhodný jako optická paměť s velmi širokým pásmem. Po interakci Ramanova úložiště se optický fonon rozpadá na dvojici fotonů kanálem a životnost rozpadu je 3,5 ps, což činí diamantovou paměť nevhodnou pro komunikační protokol.
Nicméně, diamantová paměť umožnila některé odhalující studie interakcí mezi světlem a hmotou na kvantové úrovni: optické fonony v diamantu lze použít k prokázání emisní kvantové paměti, makroskopického zapletení, předpovídaného úložiště jednoho fotonu a jednoho fotonu frekvenční manipulace.
Budoucí vývoj
Pro kvantovou paměť jsou budoucí směry výzkumu kvantová komunikace a kryptografie. Při budování globální kvantové sítě však existuje mnoho výzev. Jedním z nejdůležitějších úkolů je vytvořit vzpomínky, které mohou ukládat kvantové informace nesené světlem. Vědci na univerzitě v Ženevě ve Švýcarsku ve spolupráci s francouzským CNRS objevili nový materiál, ve kterém může prvek zvaný ytterbium uchovávat a chránit kvantové informace, a to i při vysokých frekvencích. Díky tomu je ytterbium ideálním kandidátem pro budoucí kvantové sítě. Vzhledem k tomu, že signály nelze replikovat, vědci nyní studují, jak je možné vytvořit kvantové paměti, které cestují čím dál dále tím, že zachycují fotony a synchronizují je. Za tímto účelem je důležité najít správné materiály pro vytváření kvantových vzpomínek. Ytterbium je dobrý izolátor a pracuje na vysokých frekvencích, takže lze fotony ukládat a rychle obnovovat.