טכניקה משוב על יהלומים 'qubits' יכול לעשות מחשוב קוונטי יותר מעשי

שיחות משוב והערכת עובדים- טכניקה להעברת משוב (יוני 2019).

Anonim

מחשבים קוונטיים הם מכשירים היפותטיים במידה רבה שיכולים לבצע כמה חישובים במהירות רבה יותר מאשר במחשבים רגילים. הם מנצלים תכונה הקרויה סופרפוזיציה, המתארת ​​יכולת אנטי-אינטואיטיבית של חלקיק קוונטי, במובן מסוים, לחיות יותר ממצב פיזי אחד בעת ובעונה אחת.

אבל סופרפוזיציה היא שברירית, ומציאת דרכים לשמר אותה היא אחד המכשולים העיקריים לפיתוח מחשבים קוונטיים גדולים לשימוש כללי. בטבע של היום, חוקרים MIT מתארים גישה חדשה לשימור סופרפוזיציה בכיתה של מכשירים קוונטיים שנבנו יהלומים סינתטיים. העבודה יכולה בסופו של דבר להוכיח צעד חשוב לקראת מחשבים קוונטיים אמינים.

ברוב תחומי ההנדסה, הדרך הטובה ביותר לשמור על יציבותה של מערכת פיזית היא בקרת המשוב. אתה מבצע מדידה - את המסלול הנוכחי של מטוס, או את הטמפרטורה של מנוע - ועל בסיס זה לייצר אות שליטה אשר דוחף את המערכת בחזרה למצב הרצוי שלה.

הבעיה בשימוש בטכניקה זו כדי לייצב מערכת קוונטית היא כי המדידה הורסת סופרפוזיציה. אז החוקרים הקוונטים מחשוב מסורתי היה צריך לעשות בלי משוב.

"בדרך כלל, מה שאנשים עושים הוא להשתמש במה שמכונה" שליטה בלולאה פתוחה ", אומרת פאולה קפלרו, אסתר והרולד אדגרטון, פרופסור עמית למדעי הגרעין וההנדסה ב- MIT וסופר בכיר על הנייר החדש. "אתה מחליט מראש כיצד לשלוט על המערכת שלך ולאחר מכן להחיל את הבקר שלך ולקוות לטוב ביותר, כי אתה יודע מספיק על המערכת שלך, כי השליטה החלת יעשה מה שחשבת שהוא צריך. משוב צריך להיות חזק יותר, כי זה מאפשר אתה מסתגל למה שקורה ".

בעיתון Nature, Cappellaro ותלמידת הדוקטורט שלה לשעבר, Masashi Hirose, שסיימה בשנה שעברה וכעת היא עם מקינזי וחברה בטוקיו, מתארים מערכת בקרת משוב לשמירה על סופרפוזיציה קוונטית שאינה דורשת מדידה. "במקום שיש לנו בקר קלאסי כדי ליישם את המשוב, אנו משתמשים כעת בבקר קוונטי", מסביר קפלרו. "כי הבקר הוא קוונטי, אני לא צריך לעשות מדידה כדי לדעת מה קורה."

ביטוי ריק

Cappellaro ו Hirose של המערכת משתמשת מה שנקרא מרכז חנקן חנקן ביהלום. יהלום טהור מורכב מאטומי פחמן המסודרים במבנה סדירים קבוע. אם חסר גרעין פחמן מן הסריג שבו אחד יהיה צפוי, זה מקום פנוי. אם אטום חנקן לוקח את המקום של אטום פחמן בסריג, וזה קורה להיות סמוכים פנוי, זה חנקן- vacancy (NV) מרכז.

המשויך לכל מרכז NV הוא קבוצה של אלקטרונים מן האטומים הסמוכים, אשר, כמו כל האלקטרונים, יש נכס שנקרא ספין המתאר את האוריינטציה המגנטית שלהם. כאשר נתון לשדה מגנטי חזק, למשל, מגנט קבוע הממוקם מעל יהלום - הספין האלקטרוני של מרכז NV יכול להיות למעלה, למטה, או סופרפוזיציה קוונטית של השניים. הוא יכול אפוא לייצג ביט קוונטי, או "קוביט", השונה מקטעי מחשב רגילים ביכולתה לקבל לא רק את הערכים 1 או 0, אלא את שניהם באותו זמן.

NV מרכזי יש מספר יתרונות על פני qubits המועמדים האחרים. הם תכונה מהותי של מבנה פיזי, ולכן הם לוותר על חומרה מורכבת עבור יונים השמנה או אטומים כי גישות אחרות דורשות. ו NV מרכזי אור טבעי emitters, מה שהופך אותו קל יחסית לקרוא מידע מהם. ואכן, חלקיקי האור הנפלטים ממרכז NV עשויים להיות בעצמם בסופרפוזיציה, ולכן הם מספקים דרך להעביר מידע קוונטי מסביב.

שליטה מקומית

כמו אלקטרונים, גרעינים אטומיים יש ספין, ו Cappellaro ו Hirose להשתמש במצב ספין של גרעין חנקן לשלוט הספין האלקטרוני של מרכז NV. ראשית, מנה של מיקרוגלים מעבירה את הספין האלקטרוני לסופרפוזיציה. ואז פרץ של קרינה בתדר רדיו מכניס את גרעין החנקן למצב ספין מוגדר.

מנת שנייה, נמוכה יותר של גלי מיקרו "מסבך" את ספיני גרעין החנקן ואת מרכז NV, כך שהם הופכים תלויים זה בזה. בשלב זה, את qubit NV יכול, יחד עם qubits אחרים, להתגייס לבצע חישוב. אבל בניסויים שלהם, קפלרו והירוז העריכו קוביט אחד, כדי שיוכלו לבדוק רק את הניתוח החישובי הבסיסי ביותר: השער לא, שמניע את ערכו.

בגלל ספינים של גרעין החנקן ואת מרכז NV מסובכים, אם משהו משתבש במהלך החישוב, זה יבוא לידי ביטוי הספין של גרעין החנקן.

לאחר החישוב, מנה שלישית של מיקרוגלים - שקוטביותם מסובבת יחסית לזו של השנייה - מפריעה את הגרעין ואת מרכז ה- NV. לאחר מכן החוקרים מעמידים את המערכת על רצף סופי של חשיפות מיקרוגל. חשיפות אלה מכוילים, עם זאת, כך ההשפעה שלהם על מרכז NV תלוי במצב של גרעין החנקן. אם שגיאה התגנבה במהלך החישוב, המיקרוגל יתקן אותו; אם לא, הם יעזבו את מצב המרכז NV ללא שינוי.

בניסויים, החוקרים גילו כי עם מערכת בקרת המשוב שלהם, חלק קוונטי של ה- NV-Center יישאר בסופרפוזיציה בערך פי 1, 000, כל עוד זה יהיה בלעדיו.

menu
menu