Čiupimas link kvantinės RAM


    Jarryd Pl

    • Elektros inžinerijos ir telekomunikacijų mokykla, Naujojo Pietų Velso universitetas, Sidnėjus, Australija

2022 m. Lapkričio 7 d• Fizika 15, 168

Naujas kvantinės laisvosios prieigos atminties įrenginys skaito ir įrašo informaciją naudodamas čirpiojantį elektromagnetinį impulsą ir superlaidų rezonatorių, todėl jis yra žymiai efektyvesnis nei ankstesni įrenginiai.

APS / Carin Cain

Figūra 1: Tyrėjai sukūrė RAM įrenginį iš superlaidžios grandinės rezonatoriaus ir silicio lusto, įterpto su bismuto atomais. Čiulpti mikrobangų impulsai perduoda kvantinę informaciją pirmyn ir atgal tarp rezonatoriaus ir bismuto atomų, kur informacija saugoma atomų sukimosi būsenose.Tyrėjai sukūrė RAM įrenginį iš superlaidžios grandinės rezonatoriaus ir silicio lusto, įterpto su bismuto atomais. Čiulpti mikrobangų impulsai perduoda kvantinę informaciją pirmyn ir atgal tarp rezonatoriaus ir bismuto atomų, kur t… Rodyti daugiau

Atsitiktinės prieigos atmintis (arba RAM) yra neatskiriama kompiuterio dalis, veikianti kaip trumpalaikės atminties bankas, iš kurio galima greitai atgauti informaciją. Programos telefone ar kompiuteryje naudoja RAM, kad galėtumėte akimirksniu perjungti užduotis. Tyrėjai, kuriantys ateities kvantinius kompiuterius, tikisi, kad tokios sistemos vieną dieną gali veikti su analogiškais kvantinės RAM elementais, kurie, jų manymu, galėtų pagreitinti kvantinio algoritmo vykdymą. [1, 2] arba padidinti informacijos, saugomos kvantiniame procesoriuje, tankį. Dabar Jamesas O’Sullivanas iš Londono nanotechnologijų centro ir jo kolegos žengė svarbų žingsnį siekdami, kad kvantinė RAM taptų realybe, demonstruodami aparatinės įrangos efektyvų metodą, kuris naudoja čirpiuojamus mikrobangų impulsus kvantinei informacijai saugoti ir gauti atominių sukimų metu. [3].

Kaip ir kvantiniai kompiuteriai, eksperimentinės kvantinės atminties įrenginių demonstracijos yra ankstyvosiose dienose. Viena iš pirmaujančių lustų pagrindu sukurta kvantinio skaičiavimo platforma naudoja grandines, pagamintas iš superlaidžių metalų. Šioje sistemoje centrinis apdorojimas atliekamas superlaidžiais kubitais, kurie informaciją siunčia ir priima mikrobangų fotonais. Tačiau šiuo metu nėra kvantinės atminties įrenginio, kuris galėtų patikimai saugoti šiuos fotonus ilgą laiką. Laimei, mokslininkai turi keletą idėjų.

Viena iš tų idėjų yra panaudoti priemaišų atomų sukinius, įterptus į superlaidžios grandinės lustą. Sukas yra viena iš pagrindinių kvantinių atomo savybių. Jis veikia kaip vidinė kompaso adata, lygiuojanti su taikomu magnetiniu lauku arba prieš jį. Šie du lygiai yra analogiški klasikinio bito 0 ir 1 ir gali būti naudojami kvantinei informacijai saugoti [4, 5]. Jei mikroschemoje yra daug priemaišų atomų, atomų sukimai gali veikti kaip „daugiamodis“ atminties įrenginys, kuris vienu metu gali saugoti informaciją, esančią daugelyje fotonų.

Atominių sukimų atveju informacijos saugojimo laikas gali būti daug didesnis nei superlaidžių kubitų. Pavyzdžiui, mokslininkai parodė, kad silicio lustų viduje esantys bismuto atomai gali saugoti kvantinę informaciją ilgiau nei sekundę. [6]. Galima paklausti: kodėl vietoj superlaidžių kubitų nenaudojus sukinių? Iš tiesų, yra mokslinių tyrimų grupių, dirbančių su atominiais kvantiniais kompiuteriais, tačiau atominių sukimų valdymas ir matavimas kelia savo unikalių iššūkių. Hibridinis metodas yra naudoti superlaidžius kubitus apdorojimui ir atominius sukimus saugojimui, tačiau čia buvo iššūkis, kaip perduoti informaciją tarp dviejų sistemų naudojant mikrobangų fotonus. Nors tyrėjai jau įrodė, kaip atominio sukimosi ansamblis sugeria ir išgauna informaciją iš mikrobangų fotonų, tose demonstracijose reikėjo naudoti stiprius magnetinio lauko gradientus arba specializuotas superlaidžias grandines, kurios abu padidina kvantinės atminties aparatinę įrangą. [7, 8].

O’Sullivanas ir jo kolegos siūlo elegantišką sprendimą mikrobangų fotonų informacijos saugojimui ir paieškai, naudojant aparatinės įrangos efektyvų metodą. Komandos įrenginį sudaro superlaidžios grandinės rezonatorius, esantis ant silicio lusto, įterpto su bismuto atomais (1 pav.). 1). Komanda į rezonatorių pasiuntė silpnus mikrobangų sužadinimus, kuriuose yra apie 1000 fotonų, kuriuos sugėrė bismuto atomų sukimai. Tada jie pataikė į rezonatorių elektromagnetiniais mikrobangų impulsais, kurių dažnis laikui bėgant didėjo, o tai žinoma kaip čirškėjimas. Dėl šios priežasties kvantinė informacija, esanti fotonuose, buvo įspausta ant sukinių su unikaliu „fazės“ identifikatoriumi, kuris užfiksavo santykines gretimų sukimų krypties pozicijas. Tada komanda gavo šią informaciją, perkeldama fotonus atgal į superlaidžią grandinę, smogdama sukimosi ansamblį identišku impulsu, kuris, jų nuomone, pakeitė šią įspaustą fazę.

O’Sullivanas ir jo kolegos rodo, kad jų atminties įrenginys gali vienu metu saugoti kelias fotoninės informacijos dalis keturių silpnų mikrobangų impulsų pavidalu. Svarbu tai, kad jie taip pat parodo, kad informaciją galima perskaityti bet kokia tvarka, todėl jų įrenginys tampa tikra RAM.

Šioje pirmoje demonstracijoje komanda praneša apie 3% efektyvumą, o tai rodo, kad atmintis praranda didžiąją dalį informacijos. Taigi, jų įrenginys vis dar šiek tiek nutolęs nuo patikimos saugojimo ir paieškos, reikalingos būsimam kvantiniam kompiuteriui. Tačiau galimų šio mažo efektyvumo šaltinių analizė rodo, kad jis atsiranda ne dėl perdavimo proceso, o dėl potencialiai išsprendžiamų įrenginio apribojimų. Komanda mano, kad padidinus sukimų skaičių jie galėtų žymiai pagerinti įrenginio efektyvumą.

Be informacijos saugojimo, kvantinės RAM elementai gali padėti padidinti kubitų tankį kvantiniame procesoriuje. Rugsėjo mėn. IBM pristatė didelio skiedimo šaldytuvą Project Goldeneye [9]. Šio itin šalto begemoto tūris didesnis nei trijų namų šaldytuvų ir jame bus IBM naujos kartos superlaidus kvantinis kompiuteris. Dabartinių superlaidžių kvantinių kompiuterių kubitų tankis yra mažesnis nei 100 kvadratiniame milimetre – klasikiniuose kompiuterių lustuose yra 100 milijonų tranzistorių kvadratiniame milimetre – todėl suprantama, kodėl IBM reikia tokio didelio šaldytuvo. O’Sullivano ir kolegų sukimo pagrindu sukurtas kvantinės atminties įrenginys iš esmės galėtų išsaugoti kelias kubitų būsenas erdvėje, kurią šiuo metu užima tik viena, o tai vieną dieną gali padėti sumažinti šią dydžio problemą.

Nuorodos

  1. V. Giovannetti ir kt.„Kvantinė laisvosios kreipties atmintis“, Fizik. Kunigas Lett. 100160501 (2008).
  2. J. Biamonte ir kt.„Kvantinis mašinų mokymasis“, Gamta 549195 (2017 m.).
  3. J. O’Salivanas ir kt.„Atsitiktinės prieigos kvantinė atmintis, naudojant čirpimo impulsų fazės kodavimą“, Fizik. Rev. X 12041014 (2022).
  4. Daniel Loss ir DP DiVincenzo, „Kvantinis skaičiavimas su kvantiniais taškais“, Fizik. kun. A 57120 (1998).
  5. BE Kane, „Silicio branduolio sukimosi kvantinis kompiuteris“, Gamta 393133 (1998).
  6. G. Wolfowiczius ir kt.„Atominio laikrodžio perėjimai silicio pagrindu veikiančiuose sukimosi kubituose“, Nat. Nanotechnologija. 8561 (2013 m.).
  7. H. Wu ir kt.„Kelių koherentinių mikrobangų sužadinimų saugojimas elektronų sukimosi ansamblyje“, Fizik. Kunigas Lett. 105140503 (2010).
  8. C. Grezes ir kt.„Kelių režimų saugojimas ir mikrobangų laukų gavimas sukimosi ansamblyje“, Fizik. Rev. X 4021049 (2014 m.).
  9. P. Gumannas ir J. Chow.IBM mokslininkai atvėsina didžiausią pasaulyje kvantiškai paruoštą kriogeninės koncepcijos sistemą“, IBM tinklaraštis, 2022 m. rugsėjo 8 d.

apie autorių

Jarryd Pla vaizdas

Jarryd Pla yra kvantų inžinierius Naujojo Pietų Velso universitete, Sidnėjuje. Jis sprendžia problemas, susijusias su kvantinės informacijos apdorojimu ir plačiau su kvantinėmis technologijomis. Pla padėjo parodyti pirmuosius kvantinius bitus, pagamintus iš vieno priemaišos atomo elektrono ir branduolio silicio lusto viduje. Dabartiniai jo mokslinių tyrimų interesai apima sukimosi principu pagrįstą kvantinį skaičiavimą, superlaidžias kvantines grandines ir hibridines kvantines technologijas. Jis daugiausia dėmesio skiria naujų kvantinių technologijų kūrimui, kad padėtų keisti kvantinių kompiuterių mastelį ir tobulinti spektroskopijos bei jutimo galimybes.


Skaityti PDF

Tematikos sritys

Kvantinė informacija Kvantinė fizika

susiję straipsniai

Palydovinio kvantinio ryšio klojimas
Turbulencijos gimimas, užfiksuotas kvantinėms dujoms
Atnaujinkite atominius silicio bangolaidžius

Daugiau straipsnių