Kuantum hafızası - Quantum memory
|
Birimler arasında bilgi |
| bilgi-teorik |
|---|
| Veri depolama |
| kuantum bilgisi |
| Bir kısmı serisi üzerinde |
| Kuantum mekaniği |
|---|
Olarak kuantum bilgisayar , kuantum belleği olan kuantum mekanik sıradan versiyonu bilgisayar belleği . Sıradan bellek bilgileri ikili durumlar ("1"ler ve "0"lar ile temsil edilir) olarak depolarken, kuantum bellek daha sonra geri almak için bir kuantum durumu depolar . Bu durumlar, kübitler olarak bilinen faydalı hesaplama bilgilerini içerir . Günlük bilgisayarların klasik hafızasından farklı olarak, kuantum hafızasında depolanan durumlar kuantum süperpozisyonunda olabilir ve bu da kuantum algoritmalarında klasik bilgi depolamadan çok daha pratik esneklik sağlar .
Kuantum bellek birçok cihazların geliştirilmesi için gerekli olan kuantum bilgi işlem çeşitli eşleşen bir senkronizasyon aracı da dahil olmak üzere, işlemler , bir de kuantum bilgisayar üzerinde önceden tespit edilmiş fotonları dönüştürmek için herhangi bir devlet kimlik muhafaza eden bir kuantum kapısı ve bir mekanizma - talep fotonları. Kuantum bellek, kuantum hesaplama ve kuantum iletişimi gibi birçok açıdan kullanılabilir . Sürekli araştırma ve deneyler, kuantum belleğin kübitlerin depolanmasını gerçekleştirmesini sağladı.
Arka plan ve tarih
Kuantum radyasyonunun çoklu parçacıklarla etkileşimi , son on yılda bilimsel ilgiyi ateşledi. Kuantum hafızası, ışığın kuantum durumunu bir grup atom üzerinde haritalayan ve ardından onu orijinal şekline geri getiren böyle bir alandır. Kuantum bellek, ışık-atom etkileşiminin temeli için yeni bir yol açarken, optik kuantum hesaplama ve kuantum iletişimi gibi bilgi işlemede kilit bir unsurdur . Bununla birlikte, ışığın kuantum durumunu geri yüklemek kolay bir iş değildir. Etkileyici ilerleme kaydedilmiş olsa da, araştırmacılar hala bunun gerçekleşmesi için çalışıyor.
Kuantum bellekte kuantum değişimine dayalı foton kübitlerini depolamak mümkündür Kessel ve Moiseev 1993'te tek foton durumunda kuantum depolamayı tartıştılar . Deney 1998'de analiz edildi ve 2003'te gösterildi. Özetle, tek foton durumunda kuantum depolama çalışması foton durumu, 1979 ve 1982'de önerilen klasik optik veri depolama teknolojisinin ürünü olarak kabul edilebilir . Sadece bu değil, fikir 1970'lerin ortalarında yüksek yoğunluklu veri depolamadan ilham aldı. Optik veri depolaması, daha sonra ışın uzay noktalarına yönlendirilen ve depolanan farklı ışık frekanslarını absorbe etmek için soğurucuların kullanılmasıyla sağlanabilir .
Türler
Işık Kuantum Belleği
Normal, klasik optik sinyaller, ışığın genliği değiştirilerek iletilir. Bu durumda, lamba hakkında bilgi depolamak için bir kağıt parçası veya bir bilgisayar sabit diski kullanılabilir. Ancak kuantum bilgi senaryosunda bilgi, ışığın genliğine ve fazına göre kodlanabilir. Bazı sinyaller için, sinyale müdahale etmeden ışığın hem genliğini hem de fazını ölçemezsiniz. Kuantum bilgisini depolamak için ışığın kendisinin ölçülmeden saklanması gerekir. Kuantum bellek için ışık, ışığın durumunu atom bulutuna kaydediyor. Işık atomlar tarafından emildiğinde, ışığın kuantumuyla ilgili tüm bilgileri girebilirler.
Katı Kuantum Bellek
Olarak klasik bilgisayar bellek uzun ömürlü hafıza donanımın çoğaltılmış ve daha sonraki işlemler için daha sonra alınabilir önemsiz bir kaynaktır. Kuantum hesaplamada bu yasaktır çünkü klon yok teoremine göre herhangi bir kuantum durumu tamamen yeniden üretilemez. Bu nedenle, kuantum hata düzeltmesinin yokluğunda, kübitlerin depolanması, bilgiyi tutan fiziksel kübitlerin iç tutarlılık süresi ile sınırlıdır. "Kuantum bellek", verilen fiziksel kübit depolama sınırlarının ötesinde, "kübitleri depolayan", "kübitleri depolayan", çevresel gürültü ve diğer faktörlerden kolayca etkilenmeyen ve daha sonra gerektiğinde bilgi tercih edilene geri dönen bir kuantum bilgi olacaktır. Hızlı çalışmaya veya okumaya izin vermek için "işlem kübitleri".
keşif
Optik kuantum bellek genellikle tek foton kuantum durumlarını algılamak ve depolamak için kullanılır . Bununla birlikte, böylesine verimli bir bellek üretmek, mevcut bilim için hala büyük bir zorluktur. Tek bir fotonun enerjisi, karmaşık bir ışık arka planında kaybolamayacak kadar düşüktür. Bu problemler, %50'nin altında uzun süredir bastırılmış kuantum depolama oranlarına sahiptir. Bilim ve teknoloji ve en Nano Bilim ve Teknoloji William Mong Enstitüsü Hong Kong Üniversitesi'nde fizik bölümü profesörü Du Shengwang başkanlığındaki bir ekip HKUST 85'ten fazla yüzde optik kuantum belleğinin verimliliğini artırmak için bir yol bulmuş. Keşif aynı zamanda kuantum bilgisayarların popülaritesini gerçeğe yaklaştırıyor. Aynı zamanda kuantum bellek, kuantum internetin temelini oluşturan kuantum ağında bir tekrarlayıcı olarak da kullanılabilir.
Araştırma ve uygulama
Kuantum bellek, kuantum ağı , kuantum tekrarlayıcı, doğrusal optik kuantum hesaplama veya uzun mesafeli kuantum iletişimi gibi kuantum bilgi işleme uygulamalarının önemli bir bileşenidir .
Optik veri depolama, uzun yıllardır önemli bir araştırma konusu olmuştur. En ilginç işlevi, kuantum hesaplama ve kuantum kriptografisi aracılığıyla koşulsuz garantili iletişim güvenliği yoluyla verileri hırsızlığa karşı korumak için kuantum fiziği yasalarının kullanılmasıdır .
Parçacıkların üst üste bindirilmesine ve bir süperpozisyon durumunda olmasına izin verirler , bu da aynı anda birden fazla kombinasyonu temsil edebilecekleri anlamına gelir. Bu parçacıklara kuantum bitleri veya kübitler denir. Siber güvenlik açısından bakıldığında, kübitlerin büyüsü, eğer bir bilgisayar korsanı onları geçiş sırasında gözlemlemeye çalışırsa, kırılgan kuantum durumlarının parçalanmasıdır. Bu, bilgisayar korsanlarının iz bırakmadan ağ verilerini kurcalamasının imkansız olduğu anlamına gelir. Artık birçok şirket, son derece hassas verileri ileten ağlar oluşturmak için bu özellikten yararlanıyor. Teoride, bu ağlar güvenlidir.
Mikrodalga depolama ve hafif öğrenme mikrodalga dönüşümü
Azot-boşluk merkezi elmas nedeniyle optik nanofotonik cihazlarda mükemmel performansı son on yılda çok araştırma çekti. Yakın tarihli bir deneyde, tam fotoelektrik manyetik alan algılaması elde etmek için çok geçişli bir elmas çip üzerinde elektromanyetik olarak indüklenen şeffaflık uygulandı . Bu yakından ilgili deneylere rağmen, optik depolama henüz pratikte uygulanmamıştır. Mevcut nitrojen-boşluk merkezi (negatif yük ve nötr nitrojen-boşluk merkezi) enerji seviyesi yapısı, elmas nitrojen-boşluk merkezinin optik olarak depolanmasını mümkün kılar.
Azot-boşluklu spin topluluğu ve süper iletken kübitler arasındaki bağlantı, süper iletken kübitlerin mikrodalgada depolanması olasılığını sağlar. Optik depolama, elektron dönüş durumu ile süper iletken kuantum bitlerinin birleştirilmesini birleştirir, bu da elmastaki nitrojen boşluğu merkezinin, uyumlu ışık ve mikrodalganın karşılıklı dönüşümünün hibrit kuantum sisteminde rol oynamasını sağlar.
Yörünge açısal momentumu alkali buharda depolanır
Büyük rezonans ışık derinliği, verimli kuantum-optik bellek oluşturmanın öncülüdür. Alkali metal buhar izotopları çok sayıda yakın-kızılötesi dalga boyuna sahip optik derinlik , çünkü bunlar nispeten dar spektrum çizgileri ve sayıları yüksek yoğunlukta 50-100 ∘C sıcak sıcaklıkta kullanılmıştır. Alkali buharlarının bazılarında en çok kullanılmıştır. yüksek optik derinlikleri, uzun tutarlı süreleri ve kolay kızıl ötesi optik geçişleri nedeniyle erken araştırmalardan tartıştığımız en son sonuçlara kadar önemli bellek gelişmeleri.
Yüksek bilgi aktarım kabiliyeti nedeniyle, insanlar kuantum bilgi alanındaki uygulamalarıyla giderek daha fazla ilgileniyorlar. Yapılandırılmış ışık , depolanmış yapısal fotonları aslına uygun olarak yeniden üretmek için bellekte saklanması gereken yörünge açısal momentumunu taşıyabilir . Bir atomik buhar kuantum belleği, fotonların yörünge açısal momentumu, dağıtılmış entegrasyon uyarımının fazı ve genliği ile eşleştirilebildiğinden, bu tür ışınları depolamak için idealdir. Difüzyon, bu tekniğin önemli bir sınırlamasıdır, çünkü sıcak atomların hareketi, depolama uyarımının uzaysal tutarlılığını yok eder. Erken başarılar, zayıf tutarlı uzamsal yapı darbelerinin sıcak, aşırı soğuk bir atomik bütünde depolanmasını içeriyordu. Bir deneyde, bir sezyum manyeto-optik tuzağındaki aynı bilim insanı grubu, vektör ışınlarını tek foton seviyesinde depolayabildi ve geri alabildi. Bellek, vektör ışınının dönüş değişmezliğini koruyarak, onu, uyumsuz bağışıklık kuantum iletişimi için kodlanmış kübitlerle birlikte kullanmayı mümkün kılar.
Gerçek bir tek foton olan ilk depolama yapısı, rubidyum manyeto-optik tuzakta elektromanyetik olarak indüklenen şeffaflık ile elde edildi. Bir manyeto-optik tuzakta spontane dört-dalga karışımı ile üretilen tahmini tek foton , spiral faz plakaları kullanan bir yörünge açısal momentum birimi tarafından hazırlanır, ikinci manyeto-optik tuzakta depolanır ve geri kazanılır. Çift yörünge düzeni ayrıca, önceden duyurulan tek bir fotonun yörünge açısal momentum süperpozisyon durumunu 100 nanosaniye boyunca sakladığı çok modlu bellekte tutarlılığı kanıtlar.
mücevher
GEM (Gradient Echo Memory), bir fotonik eko optik depolama teknolojisidir. Fikir ilk olarak ANU'daki araştırmacılar tarafından gösterildi . Deneyleri, buhara dayalı üç seviyeli bir sistemdir. Bu sistem, %87'ye varan oranlarda, sıcak buharlarda şimdiye kadar gördüğümüz en verimli sistemdir.
Elektromanyetik olarak indüklenen şeffaflık
Elektromanyetik olarak indüklenen şeffaflık (EIT), ilk olarak 1990 yılında Harris ve Stanford Üniversitesi'ndeki meslektaşları tarafından tanıtıldı . Çalışma, bir lazer ışını uyarı yolları arasında bir kuantum girişimine neden olduğunda , atomik ortamın optik tepkisinin, absorpsiyon ve atomik geçişlerin rezonans frekanslarında kırılma . Yavaş ışık, optik depolama ve kuantum bellekler, EIT'ye dayalı olarak elde edilebilir. Diğer yaklaşımların aksine, EIT uzun bir depolama süresine sahiptir ve uygulanması nispeten kolay ve ucuz bir çözümdür. Örneğin, elektromanyetik olarak indüklenen şeffaflık, Raman kuantum bellekleri için genellikle ihtiyaç duyulan çok yüksek güçlü kontrol ışınlarını veya sıvı helyum sıcaklıklarının kullanımını gerektirmez . Buna ek olarak, foton yankısı EIT'yi okuyabilirken, tekdüze olmayan şekilde genişletilmiş ortamda bir dönüş geri kazanımının neden olduğu okuma darbesinin zaman gecikmesi nedeniyle dönüş tutarlılığı hayatta kalır. Çalışma dalga boyu, bant genişliği ve mod kapasitesi üzerinde bazı sınırlamalar olmasına rağmen, EIT tabanlı kuantum bellekleri kuantum telekomünikasyon sistemlerinin geliştirilmesinde değerli bir araç haline getirmek için teknikler geliştirilmiştir . 2018'de, soğuk atomda yüksek verimli EIT tabanlı bir optik bellek, uyumlu ışınlarla klasik rejimde %92 depolama ve alma verimliliği ve zayıf tutarlılıkta kodlanmış polarizasyon kübitleri için %70 depolama ve alma verimliliği gösterdi. devletler, herhangi bir klasik kriteri geçerek. Bu gösterilerin ardından, tek fotonlu polarizasyon kübitleri daha sonra 85 Rb soğuk atom grubunda EIT aracılığıyla depolandı ve %85 verimlilikle geri alındı ve iki sezyum tabanlı kuantum belleği arasında dolaşma da %90'a yakın bir genel transfer verimliliği ile sağlandı.
Nadir toprak katkılı kristaller
Hafif ve madde arasındaki kuantum bilgilerinin karşılıklı dönüşüm odağı kuantum bilişim . Tek bir foton ile nadir toprak iyonları katkılı soğutulmuş bir kristal arasındaki etkileşim incelenmiştir. Nadir toprak katkılı kristaller, benzersiz bir uygulama sistemi sağladıkları için kuantum depolama alanında geniş uygulama beklentilerine sahiptir. Çin Bilimler Akademisi'nin kuantum bilgi laboratuvarından Li Chengfeng, bir katı hal kuantum belleği geliştirdi ve zaman ve frekansı kullanarak foton hesaplama işlevini gösterdi. Bu araştırmaya dayanarak , malzeme sistemindeki kuantum durumlarının depolanması ve tutarlılığı kullanılarak kuantum tekrarlayıcıya dayalı büyük ölçekli bir kuantum ağı oluşturulabilir . Araştırmacılar, nadir toprak iyon katkılı kristallerde ilk kez gösterdiler. Üç boyutlu uzayın iki boyutlu zaman ve iki boyutlu tayf ile birleştirilmesiyle genelden farklı bir tür bellek yaratılır. Çok modlu kapasiteye sahiptir ve aynı zamanda yüksek sadakatli bir kuantum dönüştürücü olarak da kullanılabilir. Deneysel sonuçlar, tüm bu işlemlerde, foton tarafından taşınan üç boyutlu kuantum halinin aslına uygunluğunun yaklaşık %89'da muhafaza edilebileceğini göstermektedir.
Katılarda Raman saçılması
Diamond, 40 THz'lik optik fonon modunda çok yüksek Raman kazancına sahiptir ve görünür ve yakın kızılötesi bir bantta geniş bir geçici pencereye sahiptir, bu da onu çok geniş bantlı bir optik bellek olmaya uygun hale getirir. Raman depolama etkileşiminden sonra, optik fonon kanal boyunca bir çift fotona bozunur ve bozunma ömrü 3.5 ps'dir, bu da elmas belleği iletişim protokolü için uygun hale getirmez.
Bununla birlikte, elmas hafıza, kuantum seviyesinde ışık ve madde arasındaki etkileşimler hakkında bazı açıklayıcı çalışmalara izin verdi: bir elmastaki optik fononlar, emisyon kuantum hafızasını, makroskopik dolaşmayı, önceden tahmin edilen tek foton depolamasını ve tek fotonu göstermek için kullanılabilir. frekans manipülasyonu.
Gelecekteki geliştirme
Kuantum bellek için, kuantum iletişimi ve kriptografi, gelecekteki araştırma yönleridir. Ancak, küresel bir kuantum ağı oluşturmanın birçok zorluğu vardır. En önemli zorluklardan biri, ışıkla taşınan kuantum bilgisini depolayabilen anılar yaratmaktır. Araştırmacıları Cenevre Üniversitesi'nde de İsviçre Fransa'nın ile çalışan CNRS bir eleman olarak adlandırılan hangi bir yeni materyal keşfettiler iterbiyum yüksek frekanslarda bile ve koruma kuantum bilgiyi saklayabilir. Bu, iterbiyumu gelecekteki kuantum ağları için ideal bir aday yapar. Sinyaller kopyalanamadığı için, bilim adamları şimdi fotonları yakalayarak onları senkronize etmek için kuantum anıların nasıl daha uzağa seyahat edebileceklerini araştırıyorlar. Bunu yapabilmek için kuantum anıları yapmak için doğru malzemeleri bulmak önemli hale geliyor. İterbiyum iyi bir yalıtkandır ve yüksek frekanslarda çalışır, böylece fotonlar depolanabilir ve hızlı bir şekilde geri yüklenebilir.