• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Mnożą się możliwości opracowania nowego interfejsu kwantowego

    26.05.2010. 20:12
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Niemiecki fizyk stworzył interfejs kwantowy łączący cząstki światła i atomy, niezbędny do udoskonalenia wydajności technologii kwantowych. Interfejs ten może nawet przybliżać fizyków o jeden krok ku zbudowaniu pierwszego komputera kwantowego. Wyniki badań opisano w czasopiśmie Physical Review Letters.

    W swoim artykule naukowcy z Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji, Niemcy, wyjaśniają, że wprowadzenie w stan pułapkowy i optyczne sprzężenie neuronowych atomów schłodzonych laserowo ma zasadnicze znaczenie dla wykorzystania ich w zaawansowanych technologiach kwantowych. Zespół zdołał dokonać tych dwóch rzeczy poprzez interakcję atomów cezu z wielokolorowym polem przenikającym, otaczającym nanoświatłowód.

    Atomy wprowadzane są w stan pułapkowy za pomocą światła laserowego, przechodzącego przez ultracienkie włókno szklane o stożkowej powierzchni (tak cienkie, że jego średnica to zaledwie jedna setna średnicy ludzkiego włosa). Środek włókna jest cieńszy nawet od samego światła. Światło, które nie jest już ograniczone przez wnętrze nanowłókna, rozchodzi się w przestrzeni otaczającej to włókno (tworząc pole przenikające) i łączy się z atomami w stanie pułapkowym.

    W efekcie powstaje interfejs kwantowy na bazie włókna szklanego, który może służyć do transmitowania informacji kwantowych, co stanowi niezbędny wymóg wielkoskalowych kwantowych systemów komunikacyjnych, jak np. bezpieczna transmisja danych przy użyciu kryptografii kwantowej. Naukowcy są przekonani, że interfejs doskonale nadaje się do budowania hybrydowych systemów kwantowych, w których atomy łączone są na przykład z urządzeniami kwantowymi stanu stałego.
    Kierownik badań, dr Arno Rauschenbeutel z Uniwersytetu w Moguncji, dodaje, że interfejs "może również okazać się przydatny przy budowaniu komputera kwantowego". Dzisiejsze komputery bazują na tranzystorach, natomiast koncepcja komputera kwantowego opiera się na zjawiskach mechaniki kwantowej. "Przed nami nadal daleka droga do osiągnięcia tego celu, ale wielkoskalowe komputery kwantowe zrewolucjonizowałyby nasz sposób pracy."

    Z kolei sieci z włókien szklanych już stanowią zasadniczy element współczesnej komunikacji (łączność telefoniczna i internetowa polega przede wszystkim na optycznej transmisji danych za pomocą przewodów z włókna szklanego). Światło poruszające się w tych sieciach składa się z niewidzialnych kwantów energii lub fotonów (odkrytych przez Alberta Einsteina). Każdy foton może wówczas nieść ze sobą jeden bit informacji (odpowiadający stanowi zero lub jeden). Jako obiekty kwantowe fotony mogą istnieć jednocześnie w obydwu tych stanach. Na tej właściwości opiera się na przykład kryptografia kwantowa, chroniąca przed podsłuchem.

    Aby móc w pełni wykorzystać możliwości oferowane przez komunikację kwantową, musimy być w stanie przechowywać informację zakodowaną w każdym fotonie. Ponieważ fotony niespecjalnie nadają się do tego zadania, fizycy uważają, że lepiej byłoby przesyłać informacje kwantowe do atomów. To z kolei wymaga interfejsu pomiędzy fotonami a atomami, który dałby się łatwo zastosować w sieciach z włókien szklanych.

    Za: CORDIS

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Bramki kwantowe – proste elementy wykonujące podstawowe obliczenia przeprowadzane przez algorytmy kwantowe. Bramki kwantowe stanowią podstawowe operacje realizowane przez komputery kwantowe i służą do przetwarzania informacji kwantowej. Bramki kwantowe na schematach obwodów kwantowych oznaczamy za pomocą ramek, a w obliczeniach stosujemy postać macierzy unitarnych. Dekoherencja kwantowa, to w mechanice kwantowej proces opisujący oddziaływanie obiektu kwantowego z otoczeniem. Jest to fundamentalny proces tłumaczący w jaki sposób mechanika klasyczna może być rozumiana jako przybliżenie mechaniki kwantowej. Oddziaływanie z otoczeniem stanowi realizację kwantowego pomiaru, procesu który prowadzi do redukcji funkcji falowej. Dekoherencja zakłada oddziaływanie obiektu z otoczeniem w sposób nieodwracalny w sensie termodynamicznym, co niszczy interferencję między danym obiektem i otoczeniem. Innymi słowy dekoherencja eliminuje ewentualne splątanie układu kwantowego z otoczeniem. Dekoherencja może być rozumiana jako utrata informacji o układzie wskutek jego oddziaływania z otoczeniem. Ultrazimne atomy – termin używany do opisania gazu atomów o temperaturach bliskich 0 kelwina (zera bezwzględnego). Za graniczną temperaturę poniżej, której układ nazywamy ultrazimnym przyjmuje się 1 mK, podczas gdy zimnym nazywamy gaz, którego temperatura jest mniejsza niż 1 K. Temperatury otrzymywanych powszechnie w laboratoriach ultrazimnych gazów atomów mieszczą się pomiędzy 1 μK a 1 nK (1 × 10 – 1 × 10 K), przy czym udało się również otrzymać gazy o temperaturach poniżej 500 pK (500 × 10K). W tak niskich temperaturach klasyczny opis gazów zawodzi, ponieważ zjawiska kwantowe zaczynają odgrywać dominującą rolę, a co za tym idzie, do poprawnego opisu badanych układów należy używać mechaniki kwantowej. Kwantowa natura w reżimie ultraniskich temperatur przejawia się m.in. występowaniem kondensacji Bosego-Einsteina w przypadku atomów bozonowych lub zdegenerowanych gazów Fermiego, kiedy atomy są fermionami. Gazy ultrazimnych atomów znalazły też zastosowania w optyce nieliniowej, dokładnych pomiarach kwantowych właściwości pojedynczych atomów, inżynierii stanów kwantowych, precyzyjnej spektroskopii i zegarach atomowych.

    Stan splątany – rodzaj skorelowanego stanu kwantowego dwóch lub więcej cząstek lub innych układów kwantowych. Ma on niemożliwą w fizyce klasycznej cechę polegającą na tym, że stan całego układu jest lepiej określony niż stan jego części. Artur Ekert (ur. 19 września 1961 we Wrocławiu) – fizyk prowadzący badania w zakresie podstaw mechaniki kwantowej oraz kwantowego przetwarzania informacji. Obecnie zajmuje on stanowiska profesora fizyki kwantowej na wydziale Matematyki Uniwersytetu Oksfordzkiego a także profesora honorowego Lee Kong Chian (Lee Kong Chian Centennial Professor) na Narodowym Uniwersytecie Singapuru oraz dyrektora Centrum Technologii Kwantowych działającego w ramach tego uniwersytetu.

    Dielektryk Hopfielda – w mechanice kwantowej model dielektryka składającego się z kwantowych oscylatorów harmonicznych oddziałujących z modami kwantowego pola elektromagnetycznego. Oddziaływanie kolektywne modów polaryzacji ładunku ze wzbudzeniami próżni, fotonami prowadzi do zaburzenia liniowej relacji dyspersji fotonów oraz stałej dyspersji fal ładunku poprzez uniknięcie przecięcia między dwiema liniami dyspersji polarytonów. Podobnie do fononów akustycznych i optycznych daleko od rezonansu jedna galąź dyspersji zachowuje sie jak fotony a druga jak fale ładunku. Matematycznie dielektryk Hopfielda dla jednego modu wzbudzeń jest równowazny paczce Trojanskiej w przybliżeniu harmonicznym. Model Hopielda dielektryka przewiduje istnienie wiecznie związanych fotonów podobnych do promieniowania Hawkinga wewnątrz materii o gęstości proporcjonalnej do siły sprzężenia pomiędzy polem i materią. Główna liczba kwantowa (n) - pierwsza z liczb kwantowych opisujących układ kwantowy określająca energię układu, np. energię elektronów w atomie. Przyjmuje ona wartości liczb naturalnych n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7... Stany kwantowe o tej samej wartości głównej liczby kwantowej tworzą powłokę elektronową, zwaną poziomem energetycznym. Powłoki te oznacza się kolejno K, L, M, N, O, P, Q. Powłoce K odpowiada n = 1, powłoce L odpowiada n = 2...

    Degeneracja (zwyrodnienie) - w fizyce kwantowej zwykle mianem degeneracji określa się sytuację, kiedy jednej wartości energii układu odpowiada wiele stanów kwantowych układu. Zmieniając warunki fizyczne, np. umieszczając go w polu magnetycznym, energie różnych stanów kwantowych mogą zmienić się w różnym stopniu, rozdzielając jeden poziom energetyczny na kilka. Topologia pierścienia - jedna z fizycznych topologii sieci komputerowych. Komputery połączone są za pomocą jednego nośnika informacji w układzie zamkniętym - okablowanie nie ma żadnych zakończeń (tworzy krąg). W ramach jednego pierścienia można stosować różnego rodzaju łącza. Długość jednego odcinka łącza dwupunktowego oraz liczba takich łączy są ograniczone. Sygnał wędruje w pętli od komputera do komputera, który pełni rolę wzmacniacza regenerującego sygnał i wysyłającego go do następnego komputera. W większej skali, sieci LAN mogą być połączone w topologii pierścienia za pomocą grubego przewodu koncentrycznego lub światłowodu. Metoda transmisji danych w pętli nazywana jest przekazywaniem żetonu dostępu. Żeton dostępu jest określoną sekwencją bitów zawierających informację kontrolną. Przejęcie żetonu zezwala urządzeniu w sieci na transmisję danych w sieci. Każda sieć posiada tylko jeden żeton dostępu. Komputer wysyłający, usuwa żeton z pierścienia i wysyła dane przez sieć. Każdy komputer przekazuje dane dalej, dopóki nie zostanie znaleziony komputer, do którego pakiet jest adresowany. Następnie komputer odbierający wysyła komunikat do komputera wysyłającego o odebraniu danych. Po weryfikacji, komputer wysyłający tworzy nowy żeton dostępu i wysyła go do sieci.

    Teleportacja kwantowa (QT z ang. quantum teleportation) – w kwantowej teorii informacji technika pozwalająca na przeniesienie stanu kwantowego na dowolną odległość z wykorzystaniem stanu splątanego.

    Nadpromienista przemiania fazowa (ang. Superradiant phase transition) – w mechanice kwantowej podobna do nadprzewodnictwa i ferromagnetyzmu przemiana fazowa w układzie składającym sie z materii i kwantowego pola elektromagnetycznego, polegająca na tym, że układ przechodzi do uporządkowanego stanu nadpromienistego w którym w stanie podstawowym w odróżnieniu od normalnej próżni elektromagnetycznej istnieje znaczna gęstość uwięzionych wśród materii fotonów, a atomy pozostają na stałe w stanach silnie wzbudzonych. Oryginalnie została przewidziana w tzw. modelu Dicke w którym zakłada się, że atomy posiadają jedynie dwa poziomy energetyczne i oddziałują one z jednym modem kwantowego pola elektromagnetycznego . Przemiana ta zachodzi, kiedy siła oddziaływania atomów z polem elektromagnetycznym jest większa niż energia części nieoddziałującej układu, co podobnie jak w przypadku nadprzewodnictwa i ferromagnetyzmu prowadzi do efektywnych oddziaływań dynamicznych pomiędzy atomami typu ferromagnetycznego i spontanicznego pojawienia się uporządkowania wzbudzeń poniżej temperatury krytycznej. Znaczy to, że kolektywne przesunięcie Lamba w układzie oddziałujących z fluktuacjami próżni atomów staje się porównywalne z energiami samych atomów, a fluktuacje próżni powodują spontaniczne samowzbudzenie materii. Przemiana ta może być łatwo zrozumiana stosując transformacje Holsteina-Primakoffa do atomów dwupoziomowych. W wyniku tej transformacji atomy stają się oscylatorami harmonicznymi o częstości równej różnicy poziomów, a cały układ układem oddziałujących oscylatorów harmonicznych atomów i pola, czyli dielektrykiem Hopfielda przewidującym w stanie normalnym polarony dla fotonów, czyli polarytony. Jeśli teraz oddziaływanie z polem elektromagnetycznym jest tak silne, że układ zapada się i pojawiają się częstości urojone wtedy układ fizyczny ze stabilizującymi członami wyższych rzędów będzie podlegał podobnej do ferroelektrycznej przemianie fazowej. W modelu tym układ matematycznie równoważny jest dla jednego modu wzbudzeń paczce trojańskiej kiedy to natężenie pola elektromagnetycznego spolaryzowanego kołowo odpowiada stałej sprzęzenia elektromagnetycznego i powyżej jej wartości krytycznej przechodzi do ruchu niestabilnego (jonizacji).

    Kwantowa dystrybucja klucza (ang. Quantum key distribution, QKD ) – zespół procedur służących do przekazywania tajnych wiadomości z bezpieczeństwem zagwarantowanym przez podstawowe zasady mechaniki kwantowej. Kwantowa dystrybucja klucza umożliwia bezpieczną komunikację przy użyciu mechaniki kwantowej. Dwie strony mogą stworzyć losowy tajny klucz współdzielony, który może być później wykorzystany do szyfrowania i deszyfrowania wiadomości. Kwantowa dystrybucja klucza często nazywana jest błędnie kryptografią kwantową, tymczasem jest tylko najbardziej znanym zgadnieniem z tej dziedziny. Term atomowy – w mechanice kwantowej, obserwowany stan atomu, odpowiadający rzeczywistym stanom o różnej energii, charakteryzujący się określonymi wartościami liczb kwantowych.

    Światłowód włóknisty (inne nazwy: włókno światłowodowe, włókno optyczne lub po prostu światłowód) – rodzaj światłowodu (falowodu optycznego) służący do przesyłania światła. Pierwotnie stosowany dla celów dekoracyjnych i oświetleniowych, obecnie najczęściej wykorzystywany jest w telekomunikacji i do transmisji danych. Zwykle występuje w formie włókien dielektrycznych, najczęściej szklanych, z pokryciem z tworzywa sztucznego. Część światłowodu prowadząca światło, tak zwany rdzeń, charakteryzuje się największym współczynnikiem załamania światła w całej strukturze. Harald Weinfurter (ur. 14 maja 1960 w Steyr) – profesor fizyki w Uniwersytetecie Ludwiga Maximiliana (niem. Ludwig-Maximilians-Universität München, LMU, Uniwersytet Monachijski). Specjalista w dziedzinie eksperymentów dotyczących podstaw mechaniki kwantowej, a w szczególności: kwantowej interferometrii ze skorelowanymi fotonami, kwantowego splątania, nierówności Bella, kwantowej komunikacji i przetwarzania informacji, kwantowej kryptografii i metrologii.

    Dodano: 26.05.2010. 20:12  


    Najnowsze