Yksinkertaisempi suunnitelma kvanttitietokoneille

Stanfordin yliopiston tutkijat ovat esitelleet suhteellisen yksinkertaisen kvanttitietokoneen suunnitelman, jossa yhdellä atomilla manipuloidaan fotoneja ja laitteistokin voitaisiin rakentaa nykyisin saatavilla olevista komponenteista.

Suurempi kuva

Nykypäivän kvanttitietokoneet ovat monimutkaisia rakentaa, vaikea skaalata ja vaativat toimiakseen kylmiä lämpötiloja.

Nämä haasteet ovat saaneet tutkijat etsimään mahdollisuutta rakentaa kvanttitietokoneita, jotka toimivat fotoneilla. Fotonit voivat helposti kuljettaa informaatiota paikasta toiseen ja fotoniset kvanttitietokoneet voivat toimia huoneenlämmössä.

Vaikka fotoneille on rakennettu yksittäisiä kvantti "logiikkaportteja", on kuitenkin haastavaa rakentaa suuria määriä portteja ja yhdistellä niitä monimutkaisten laskelmien suorittamiseksi.

Stanfordin tutkijoiden ehdotuksessa käytetään laseria yksittäisen atomin manipuloimiseen, joka puolestaan voi muuttaa fotonien tilaa kvanttiteleportaation kautta. Atomi voidaan nollata ja käyttää uudelleen monissa kvanttiporteissa, eliminoiden näin tarpeen rakentaa useita erillisiä fyysisiä portteja. Tämä puolestaan vähentää huomattavasti kvanttitietokoneen rakentamisen monimutkaisuutta.

Tämä hämmästyttävän yksinkertainen rakenne vaatii vain muutaman laitteiston: kuitukaapelin, säteenjakajan, parin optisia kytkimiä ja optisen ontelon. Video toiminnasta.

Uusi suunnitelma koostuu kahdesta pääosasta: tallennusrenkaasta ja sirontayksiköstä. Tallennerenkaassa pyörii useita fotoneja, jotka edustavat kvanttibittejä eli kubitteja. Fotonin kulkusuunta renkaassa määrää kubitin arvon, joka bitin tapaan voi olla 0 tai 1 tai fotonin virratessa molempiin suuntiin edustaa 0:n ja 1:n yhdistelmää samanaikaisesti.

Fotonia manipuloidaan ohjaamalla se tallennusrenkaasta sirontayksikköön, jossa se kulkee onteloon, joka sisältää yhden atomin. Kun fotoni on vuorovaikutuksessa atomin kanssa, ne lomittuvat. Sitten fotoni palaa tallennusrenkaaseen ja laser muuttaa atomin tilaa. Koska atomi ja fotoni ovat lomittuneet, atomin manipulointi vaikuttaa myös sen fotoniparin tilaan.

"Mittaamalla atomin tilan voit teleportoida toiminnot fotoniin", Ben Bartlett kertoo. "Tarvitsemme siis vain yhden ohjailtavan atomikubitin ja voimme käyttää sitä välityspalvelimena kaikkien muiden fotonisten kubittien epäsuoraan manipulointiin."

Koska mikä tahansa kvanttilogiikkaportti voidaan koota atomille suoritettavaksi toimintosarjaksi, voit periaatteessa ajaa minkä tahansa kokoisen kvanttiohjelman käyttämällä vain yhtä ohjattavaa atomikubittia. Ohjelman suorittamiseksi koodi muunnetaan toimintosarjaksi, joka ohjaa fotonit sirontayksikköön ja manipuloi atomikubittia. Koska voit hallita atomin ja fotonien vuorovaikutusta, sama laite voi ajaa monia erilaisia kvanttiohjelmia.

"Monille fotonisille kvanttitietokoneille portit ovat fyysisiä rakenteita, joiden läpi fotonit kulkevat, joten jos haluat muuttaa käynnissä olevaa ohjelmaa, se vaatii usein koko laitteiston fyysistä konfigurointia", Bartlett toteaa. "Tässä tapauksessa ei tarvitse muuttaa laitteistoa - on vain annettava koneelle erilaiset ohjeet."

Avoin tutkimuspaperi: Deterministic photonic quantum computation in a synthetic time dimension

Aiheesta aiemmin:

Kvanttifotoninen prosessori

Kvanttiteleportaatio piifotonisella sirulla

Toimivia kubitteja piille

Kubitteja kiertäen ja kaartaen