• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Niemieckie badania zbliżają nas o krok do informatyki kwantowej

    22.03.2011. 17:37
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Finansowany ze środków unijnych zespół naukowców z Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka w Niemczech poczynił znaczące postępy na drodze w kierunku wielkoskalowej informatyki kwantowej i symulacji systemów skondensowanej materii dzięki nowym odkryciom dotyczącym manipulowania atomami. Odkrycia zostały zaprezentowane w artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature.

    Źródłem dofinansowania badań były projekty AQUTE (Atomowe technologie kwantowe) i NAME-QUAM (Nanoprojektowanie atomowej i molekularnej materii kwantowej), obydwa dofinansowane z tematu "Technologie informacyjne i komunikacyjne" Siódmego Programu Ramowego (7PR). Dodatkowe wsparcie unijne pochodziło również ze stypendiów Marie Curie przyznanych członkom zespołu badawczego.

    Naukowcy są w stanie skierować wiązkę laserową na pojedyncze atomy w sieci światła i zmienić ich stan spinu. Udało im się uzyskać pełną kontrolę nad pojedynczymi atomami i "zapisać" dowolne schematy dwuwymiarowe.

    Schłodzone laserowo atomy rubidu zostały wprowadzone do sztucznego kryształu światła, stworzonego przez nałożenie kilku wiązek laserowych jedna na drugą. Następnie utrzymywano je w sieci światła w sposób, który zespół porównał do trzymania kulek w zagłębieniach opakowania na jaja. Sieć światła nieznacznie odkształca powłokę elektronową atomu, co powoduje zmianę różnicy energii między dwoma stanami spinu.

    Wykorzystując wszechstronność ultrazimnych atomów w sieciach optycznych, naukowcy byli w stanie zapewnić wysoki poziom kontroli nad doświadczeniem. Wykazali, w jaki sposób taką kontrolę można sprawować na najbardziej podstawowym poziomie pojedynczego spinu w konkretnym miejscu sieci optycznej.

    Zaczynając od uporządkowania 16 atomów nawleczonych obok siebie w sieci niczym koraliki naszyjnika, naukowcy zbadali, co dzieje się, kiedy wysokość sieci zostaje obniżona tak dalece, że cząstki mogą "tunelować" się zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej. Wyniki pokazały, że przesuwają się w sieci, nawet jeżeli ich energia nie jest wystarczająca do przekroczenia bariery między studzienkami sieci.

    Zawieszenie atomów na jednej nitce umożliwiło naukowcom bezpośrednią obserwację ich dynamiki tunelowania, w ramach zjawiska, które można by opisać jako "wyścigowy pojedynek" atomów. "Kiedy tylko wysokość sieci osiąga punkt, w którym staje się możliwe tunelowanie, cząstki rzucają się do biegu, jakby brały udział w gonitwie" - opisuje naukowiec Christof Weitenberg.
    "Wykonując zdjęcia atomów w sieci w różnych okresach po 'sygnale startowym' mogliśmy po raz pierwszy bezpośrednio obserwować efekt tunelowania kwantowo-mechanicznego pojedynczych cząstek masy w sieci optycznej."

    Ostatnie badania opierają się na wynikach wcześniejszych prac przeprowadzonych przez zespół. Kilka miesięcy temu naukowcy wykazali, że każda pozycja sieci optycznej może zostać wypełniona dokładnie jednym atomem. Teraz udało im się zająć oddzielnie każdym atomem w sieci i zmienić jego stan energetyczny. "Wykazaliśmy, że możemy sterować pojedynczymi atomami. Aby atom służył jako bit kwantowy musimy wygenerować spójne superpozycje jego dwóch stanów spinu" - wyjaśnia naukowiec Stefan Kuhr. "Kolejnym krokiem jest poznanie podstawowych operacji logicznych między dwoma wybranymi atomami w sieci, tak zwanymi bramkami kwantowymi."

    Ogólnym celem projektu AQUTE jest opracowanie technologii kwantowych opartych na systemach atomowych, molekularnych i optycznych (AMO) na potrzeby zarówno skalowalnej informatyki kwantowej, jak i technologii bazujących na splątaniu, takich jak metrologia czy odczyt fizyczny. Projekt ma również ustalić i wykorzystać nowe powiązania interdyscyplinarne wynikające z fizyki AMO.

    Podobnie projekt NAME-QUAM bada technologię ultrazimnych atomów/molekuł materii kwantowej na potrzeby zadań obliczeniowych informatyki kwantowej. Jego celem jest opracowanie nowatorskich technik na potrzeby inżynierii kwantowej i kontroli kwantowej ultrazimnych atomów i molekuł zamkniętych w nanostrukturach okresowych.

    Za: CORDIS

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)

    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.

    Domieszkowanie – wprowadzanie obcych jonów/atomów do sieci krystalicznej metalu, półprzewodnika lub materiału ceramicznego tworzących roztwory stałe. Domieszkowanie stosowane jest w celu modyfikacji wybranych właściwości materiału np.: optyczne, elektryczne, magnetyczne czy mechaniczne. Ilość wprowadzanej domieszki nie przekracza zazwyczaj kilku procent atomowych (kilka atomów domieszki na 100 atomów sieci macierzystej).

    Zakaz klonowania – w mechanice kwantowej, to teoria zabraniająca tworzenia identycznych kopii nieznanego stanu kwantowego. Została zaproponowana przez Williama Woottersa, Wojciecha Żurka oraz Dennisa Dieksa w 1982 roku i ma ogromne znaczenie dla teorii mechaniki kwantowej oraz informatyki kwantowej.

    Postulaty mechaniki kwantowej – podstawowe założenia mechaniki kwantowej, na podstawie których została opracowana cała teoria fizyczna i sformułowane ogólne prawa. Jako że mechaniki kwantowej, tak samo jak i innych teorii fizycznych, nie można wyprowadzić ani udowodnić, jej sformułowanie matematyczne oparte jest na szeregu założeń, zwyczajowo nazywanych postulatami. Ostatecznie o ich poprawności świadczy jedynie zgodność z doświadczeniem i wewnętrzna niesprzeczność teorii.

    Macierz S (macierz rozpraszania, od ang. scattering matrix) jest centralnym elementem w mechanice kwantowej w obrazie oddziaływań (będącym obok obrazu Heisenberga i obrazu Schroedingera trzecim obrazem mechaniki kwantowej) bardzo istotnym dla optyki kwantowej. Opisuje ona w jaki sposób zachodzi rozpraszanie cząstek: podstawiając funkcje falowe cząstek rozpraszanych otrzymujemy funkcje falowe cząstek rozproszonych:

    Struktura sieci elektroenergetycznej - jest to jednoznacznie określony układ sieci wraz z parametrami poszczególnych urządzeń. Określenie to zastępuje stosowane kiedyś pojęcie wariant sieci. Używane może być zarówno do określenia sieci istniejącej, jak i do określenia projektu nowej sieci. Struktura sieci zawiera wszystkie elementy, z których sieć jest zbudowana. W skład struktury wchodzą między innymi:

    Topologia sieci komputerowej – model układu połączeń różnych elementów (linki, węzły itd.) sieci komputerowej. Określenie topologia sieci może odnosić się do konstrukcji fizycznej albo logicznej sieci.

    Dodano: 22.03.2011. 17:37  


    Najnowsze