Ayarlanabilir elmas ipi: kuantum belleğini etkili bir şekilde geliştirin!
Kılavuz
Son zamanlarda, Harvard Üniversitesi ve Cambridge Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, bir gitarı akort etmek kadar basit bir kuantum bellek çözümü geliştirdiler. Tasarladıkları elmas tel, ayarlamadan sonra kübit etrafındaki ortamı susturabilir ve hafıza saklama süresini onlarca nanosaniyeden yüzlerce nanosaniyeye artırabilir, bu da kuantum çip üzerindeki birçok işlem için yeterince uzun süre sağlar. zaman.
arka fon
Günümüzde bilgi güvenliğinin önemi her geçen gün daha fazla ilgi görmektedir. Bilgi güvenliğini sağlamanın etkili yollarından biri şifrelemedir. Ancak, bilgisayar teknolojisinin hızla gelişmesiyle, özellikle süper bilgisayar gücüne ve hızına sahip süper bilgisayarların ve kuantum bilgisayarların ortaya çıkmasıyla, şifrelenmiş bilgiler kolayca kırılır.
Ancak kuantum iletişimine dayalı kuantum internetin bilgi taşıyıcısı tek bir fotondur ve fotonun taşıdığı bilgi yok edilmeden elde edilemez. Ek olarak, kuantum mekaniğinin ilkelerine göre, herhangi bir kuantum ölçümü, kuantum bedeninin bir modifikasyonudur.Bu nedenle, kuantum bilgisine göz atmanın herhangi bir davranışı izler bırakacak ve kuantum bilgisinin alıcısı bunun farkında olacaktır.
(Resim kaynağı: SQO ekibi, Ottawa Üniversitesi)
Kuantum İnternet'in tamamen güvenli bir iletişim yöntemi getirmesi bekleniyor, ancak kuantum İnternet'i oluşturmak kolay bir iş değil. Bilgi taşımak için kübitlerin kullanılması yeni bir donanım türü gerektirir: kuantum bellek. Bu atom düzeyindeki aygıtın yalnızca kuantum bilgisini depolaması değil, aynı zamanda ağda dolaşan ışığa dönüştürmesi de gerekiyor.
Kuantum internetin farkına varmanın ana zorluklarından biri, kübitlerin çevreye son derece duyarlı olması ve yakındaki atomların titreşiminin bile bilgileri hatırlama yeteneklerine müdahale etmesidir. Şimdiye kadar, araştırmacılar titreşimleri ortadan kaldırmak için son derece düşük sıcaklıklara güvendiler. Bununla birlikte, büyük kuantum ağlarının bu kadar düşük sıcaklıklara ulaşmasına izin vermek, aşırı derecede pahalıdır.
Yenilikçilik
Son zamanlarda, Harvard Üniversitesi'nin John Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu (SEAS) ve Cambridge Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, bir gitarı ayarlamak kadar basit bir kuantum bellek çözümü geliştirdiler. Tasarladıkları elmas tel, ayarlamadan sonra kübit etrafındaki ortamı susturabilir ve bellek saklama süresini onlarca nanosaniyeden yüzlerce nanosaniyeye artırabilir, bu da kuantum çip üzerinde birden fazla işlem için yeterli olacaktır. Uzun zaman.
(Resim kaynağı: Second Bay Studios / Harvard SEAS)
Bu araştırmayla ilgili makaleler "Nature Communications" da yayınlandı. Harvard Üniversitesi Teknoloji Geliştirme Ofisi, projeyle ilgili fikri mülkiyet hakları için koruma sağladı ve ticarileştirme fırsatları arıyor.
teknoloji
Elmas, orijinal malzemesi, yüksek sıcaklık ve yüksek basınç altında oluşan bir karbon element kristali olan doğal mineral "elmas" dır. Elmas kristallerde, karbon atomları, tipik bir atomik kristal olan sonsuz üç boyutlu bir çerçeve oluşturmak için dört yüzlü bir bağla birbirine bağlanır. Aşağıdaki resim elmas ve allotropunu göstermektedir: grafit, iç karbon atomlarının dizilişindeki fark ve dış tarafın fiziksel özellikleri.
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Elmaslar son derece saf olmalarına rağmen mükemmel değildirler. Elmastaki bu safsızlık, özellikle kübitlerin üretimi için benzersiz bir değere sahiptir.
Elmas kristaldeki karbon atomları diğer atom türleriyle değiştirilirse, kafes kusurlarına neden olur. Bir karbon atomu bir nitrojen atomu ile değiştirilirse, bir nitrojen boşluk merkezi, bir karbon atomu bir silikon atomu ile değiştirilirse, bir silikon boşluk merkezi oluşur. İki boş yer merkezinin bilimsel araştırma vakaları ile ilgili olarak, yazar bunları daha önce tanıttı ve en çok araştırılan, nitrojen boşluk merkezi teknolojisidir. Elmas kusurları tarafından uyarılan hafif parçacıklar, kübitlerin üst üste binmesini koruyabildiğinden, kuantum hesaplama cihazları arasında bilgi iletebilir.
Azot Boşluk Merkezi
(Resim kaynağı: referans [2])
Silikon Boşluk Merkezi
(Resim kaynağı: Referans malzemeleri [3])
Anlayışımızı derinleştirmek için, önce iki kavrama bakalım: birincisi, elmas kafeste bir konum olan "boşluk". Bu konumda bir karbon atomu olmalı, ancak kayboldu; ikincisi, "boşluk" Safsızlıklar, yani karbon atomlarına ek olarak, kristal kafeste başka maddelerin atomları da bulunur. "Boşluk" ve "safsızlık" kombinasyonu, serbest elektronları yakalayabilen bir "boşluk" ve "safsızlık" "merkezi" oluşturur. Bu elektronların manyetik konumlandırılması veya "dönüşler", kübit oluşturan süperpozisyon durumları oluşturabilir.
Elmas safsızlığı aslında doğal bir ışıklı cisimdir.Elmas safsızlık tarafından uyarılan hafif parçacıklar, kübitlerin üst üste binme durumunu koruyabilir, böylece kuantum hesaplama cihazları arasında bilgi iletebilirler.
Bu makalenin kıdemli yazarı ve SEAS Elektrik Mühendisliği Bölümü'nde profesör olan Marko Loncar şunları söyledi: "Elmaslardaki safsızlıklar, kuantum ağları oluşturma sürecinde umut verici yeni geliştirme düğümleri haline geldi. Ancak, mükemmel değiller. Bazı safsızlıklar bilgi depolamada iyidir, ancak Bilgiyle iletişim kurmak zor; diğer safsızlıklar bilgi ile iletişimde iyidir, ancak saklanan bilgiler gözden kaçacaktır. Bu çalışmada, ikincisini benimsedik ve depolama performansını 10 kat artırdık. "
"Silikon boşluklu renk merkezleri" güçlü kübitlerdir. Merkezde sıkışan elektronlar, depolama bitleri olarak kullanılabilir ve kuantum internette uzun mesafeli iletişim için bir bilgi taşıyıcısı olarak tek foton kırmızı ışığı uyarabilir. Bununla birlikte, elmas kristalin yakınındaki atomlar rastgele titreşecek ve merkezde hapsolmuş elektronlar, hatırlanması gereken bilgileri yakında unutacak.
Makalenin ilk yazarı ve bir SEAS yüksek lisans öğrencisi olan Srujan Meesala şunları söyledi: "Renk merkezinde elektron olmak gürültülü bir pazarda öğrenmek gibidir. Etrafınızda her yerde gürültü var. Herhangi bir şeyi hatırlamak istiyorsanız, siz de Kalabalık sessiz olsun ya da gürültüye odaklanmanın bir yolunu bulun. Biz ikincisini seçtik. "
Gürültülü bir ortamda bellek depolama kapasitesini iyileştirmek için araştırmacılar, renk merkezini içeren elmas kristali yaklaşık bir mikron genişliğinde (kalınlık bir saç telinin yaklaşık yüzde biri kadardır) ince bir ip halinde kesip her iki ucunu da kesti. Elektrotları bağlayın ve gerdirmek ve titreşim frekansını artırmak için elmas tele voltaj uygulayın.Elektronlar bu titreşim frekansına çok duyarlıdır, tıpkı sıkı bir gitar telinin frekansını veya tonunu artırması gibi.
değer
Meesala, "İp üzerindeki gerilimi artırarak titreşimin enerji seviyesini artırdık. Elektron bu değişime çok duyarlı, yani artık sadece çok yüksek enerjili titreşimleri hissedebiliyor. Bu işlem kristalin etrafındaki titreşimleri etkin bir şekilde etkiliyor. Zemin alakasız arkaplan gürültüsüne dönüştürülerek boş yerlerdeki elektronların yüzlerce nanosaniye için bilgileri kolayca tutmasına izin verilir ki bu kuantum ölçeğinde uzun bir süredir.Bu ayarlanabilir elmas teller birbirleriyle işbirliği yapar ve gelecekteki kuantum interneti haline gelecektir. Çekirdek teknolojisi."
gelecek
Bir sonraki adımda, araştırmacılar kübitlerin saklama süresini milisaniyeye uzatmayı umuyorlar, bu da kuantum yongalarının yüz binlerce işlemi tamamlamasını ve uzun mesafeli kuantum iletişimi sağlamasını sağlayacak.
Anahtar kelime
Kuantum teknolojisi, ağ, depolama teknolojisi
Referans
[1] https://www.seas.harvard.edu/news/2018/05/tunable-diamond-string-may-hold-key-to-quantum-memory
[2] https://www.nature.com/articles/ncomms3254
[3] https://www.nature.com/articles/ncomms15376
[4] https://www.nature.com/articles/s41467-018-04340-3
