Optical Computer Concept 2
Thông tin công nghệ

Thiết kế máy tính lượng tử mới đơn giản của Stanford: Tính toán quang tử trong thứ nguyên thời gian tổng hợp

Optical Computer Concept

Một thiết kế máy tính lượng tử tương đối đơn giản sử dụng một nguyên tử duy nhất để điều khiển các photon có thể được xây dựng bằng các thành phần hiện có sẵn.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu của Đại học Stanford đã đề xuất một thiết kế đơn giản hơn cho máy tính lượng tử quang tử sử dụng các thành phần sẵn có, theo một bài báo đăng trên tạp chí Optica vào ngày 29 tháng 11 năm 2021. Thiết kế được đề xuất của họ sử dụng tia laser để điều khiển một nguyên tử đơn lẻ mà từ đó, có thể thay đổi trạng thái của các photon thông qua một hiện tượng được gọi là “dịch chuyển lượng tử”. Nguyên tử có thể được đặt lại và tái sử dụng cho nhiều cổng lượng tử, loại bỏ nhu cầu xây dựng nhiều cổng vật lý riêng biệt, giảm đáng kể sự phức tạp của việc xây dựng một máy tính lượng tử.

“Thông thường, nếu bạn muốn chế tạo loại máy tính lượng tử này, bạn phải lấy hàng nghìn bộ phát lượng tử, làm cho tất cả chúng hoàn toàn không thể phân biệt được và sau đó tích hợp chúng vào một mạch quang tử khổng lồ,” Ben Bartlett, một ứng cử viên tiến sĩ cho biết. trong vật lý ứng dụng và tác giả chính của bài báo. “Trong khi với thiết kế này, chúng tôi chỉ cần một số ít các thành phần tương đối đơn giản và kích thước của máy không tăng theo kích thước của chương trình lượng tử mà bạn muốn chạy.”

Thiết kế cực kỳ đơn giản này chỉ cần một số thiết bị: cáp quang, bộ tách chùm, một cặp công tắc quang và một khoang quang.

Một hình ảnh động của máy tính lượng tử quang tử do các nhà nghiên cứu đề xuất. Ở bên trái là vòng lưu trữ, chứa một số photon truyền ngược chiều. Ở bên phải là đơn vị tán xạ, được sử dụng để điều khiển các qubit quang tử. Các hình cầu ở trên cùng, được gọi là “Hình cầu Bloch”, mô tả trạng thái toán học của nguyên tử và một trong các photon. Vì nguyên tử và photon vướng víu, thao tác trên nguyên tử cũng ảnh hưởng đến trạng thái của photon. Tín dụng: Ben Bartlett

May mắn thay, những thành phần này đã tồn tại và thậm chí còn có sẵn trên thị trường. Chúng cũng liên tục được tinh chỉnh vì chúng hiện đang được sử dụng trong các ứng dụng khác ngoài điện toán lượng tử . Ví dụ, các công ty viễn thông đã làm việc để cải tiến cáp quang và thiết bị chuyển mạch quang trong nhiều năm.

“Những gì chúng tôi đang đề xuất ở đây là xây dựng dựa trên nỗ lực và sự đầu tư mà mọi người đã bỏ ra để cải thiện các thành phần này,” Shanhui Fan, Giáo sư Joseph và Hon Mai Goodman của Trường Kỹ thuật và là tác giả cao cấp của bài báo cho biết. “Chúng không phải là các thành phần mới dành riêng cho tính toán lượng tử.”

Một thiết kế mới lạ

Thiết kế của các nhà khoa học bao gồm hai phần chính: một vòng lưu trữ và một bộ phận tán xạ. Vòng lưu trữ, có chức năng tương tự như bộ nhớ trong máy tính thông thường, là một vòng sợi quang chứa nhiều photon di chuyển xung quanh vòng. Tương tự như các bit lưu trữ thông tin trong máy tính cổ điển, trong hệ thống này, mỗi photon đại diện cho một bit lượng tử, hay “qubit”. Hướng di chuyển của photon xung quanh vòng lưu trữ xác định giá trị của qubit, giống như một bit, có thể là 0 hoặc 1. Ngoài ra, bởi vì photon có thể đồng thời tồn tại ở hai trạng thái cùng một lúc, một photon riêng lẻ có thể chảy theo cả hai hướng cùng một lúc , đại diện cho một giá trị là sự kết hợp của 0 và 1 cùng một lúc.

Sinh viên tốt nghiệp Stanford Ben Bartlett và Shanhui Fan, giáo sư kỹ thuật điện, đã đề xuất một thiết kế đơn giản hơn cho máy tính lượng tử quang tử sử dụng các thành phần sẵn có. Tín dụng: Lịch sự Ben Bartlett / Rod Searcey

Các nhà nghiên cứu có thể điều khiển một photon bằng cách hướng nó từ vòng lưu trữ vào đơn vị tán xạ, nơi nó di chuyển đến một khoang chứa một nguyên tử. Sau đó, photon tương tác với nguyên tử, khiến cả hai trở nên “vướng víu”, một hiện tượng lượng tử theo đó hai hạt có thể ảnh hưởng lẫn nhau ngay cả trong khoảng cách rất xa. Sau đó, photon quay trở lại vòng lưu trữ và một tia laser làm thay đổi trạng thái của nguyên tử. Bởi vì nguyên tử và photon vướng víu, thao tác điều khiển nguyên tử cũng ảnh hưởng đến trạng thái của photon ghép đôi của nó.

Bartlett nói: “Bằng cách đo trạng thái của nguyên tử, bạn có thể dịch chuyển các hoạt động lên các photon. “Vì vậy, chúng ta chỉ cần một qubit nguyên tử có thể điều khiển được và chúng ta có thể sử dụng nó như một proxy để điều khiển gián tiếp tất cả các qubit quang tử khác.”

Bởi vì bất kỳ cổng logic lượng tử nào cũng có thể được biên dịch thành một chuỗi hoạt động được thực hiện trên nguyên tử, về nguyên tắc, bạn có thể chạy bất kỳ chương trình lượng tử nào ở bất kỳ kích thước nào chỉ sử dụng một qubit nguyên tử có thể điều khiển được. Để chạy một chương trình, mã được dịch thành một chuỗi các hoạt động hướng các photon vào đơn vị tán xạ và thao tác với qubit nguyên tử. Bởi vì bạn có thể kiểm soát cách nguyên tử và photon tương tác, cùng một thiết bị có thể chạy nhiều chương trình lượng tử khác nhau.

“Đối với nhiều máy tính lượng tử quang tử, các cổng là cấu trúc vật lý mà các photon đi qua, vì vậy nếu bạn muốn thay đổi chương trình đang chạy, nó thường liên quan đến việc cấu hình lại phần cứng một cách vật lý,” Bartlett nói. “Trong trường hợp này, bạn không cần phải thay đổi phần cứng – bạn chỉ cần cung cấp cho máy một bộ hướng dẫn khác.”

Tham khảo: “Tính toán lượng tử quang tử xác định trong một chiều thời gian tổng hợp” của Ben Bartlett, Avik Dutt và Shanhui Fan, ngày 29 tháng 11 năm 2021, Optica .
DOI: 10.1364 / OPTICA.424258

Học giả sau tiến sĩ Avik Dutt của Stanford cũng là đồng tác giả của bài báo này. Fan là giáo sư kỹ thuật điện, thành viên của Stanford Bio-X và là chi nhánh của Viện Năng lượng Precourt.

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ và Văn phòng Nghiên cứu Khoa học Không quân Hoa Kỳ.

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.