211service.com
Nová technika magnetické rezonance by mohla přinést revoluci v kvantovém počítání
V roce 2001 tým fyziků z IBM a Stanfordské univerzity v Silicon Valley odhalil, že sestrojil pozoruhodný počítač schopný využívat podivná pravidla kvantové mechaniky ke zpracování informací.
Tento kvantový počítač byl navržen k faktorizaci čísel, což je problém, se kterým mají konvenční počítače zvláštní potíže. Tým to hrdě demonstroval tím, že našel dva prvočísla čísla 15 (3 a 5, pokud by vás to zajímalo).
To byl působivý výkon. Bylo to možné, protože kvantový objekt může existovat ve dvou stavech současně, což představuje 0 a 1 současně. Tento druh superpozice umožňuje jednomu kvantovému objektu počítat se 2 bity současně, dvěma kvantovým objektům počítat současně se čtyřmi bity, osmi kvantovým objektům počítat s 256 bity a tak dále.
IBM/Stanford měl k dispozici pouhých sedm qubitů. Ale příslib od těchto druhů zařízení je obrovský: počítač s pouhými 30 qubity by byl výkonnější než jakýkoli stávající konvenční počítač.
Ale za deset let od té doby nikdo nepostavil kvantový počítač mnohem výkonnější než tento. Jak to?
Stroj IBM/Stanford pracoval pomocí techniky zvané magnetická rezonance. Cílem je najít molekulu, která obsahuje atomová jádra, která se mohou roztočit nahoru nebo dolů při mírně odlišných energiích. To umožňuje oslovit každé jádro samostatně pomocí techniky magnetické rezonance.
To znamená umístit je do silného magnetického pole, přerušit je rádiovými vlnami a pak poslouchat ozvěnu. (Každý, kdo podstoupil vyšetření magnetickou rezonancí, bude mít stejnou léčbu.)
Tato technika funguje se všemi druhy molekul, jako je aceton, kofein a dokonce i alkohol, ačkoli tým IBM/Stanford použil exotickou molekulu známou jako komplex perfluorobutadienyl železa, aby získal jejich sedm qubitů. A funguje i při pokojové teplotě, což se hodí.
Ale tady je ta věc. Signál z jedné molekuly je příliš slabý na to, aby jej tato technika zachytila, takže k výpočtu musíte použít celý šálek molekul. A to výrazně omezuje škálovatelnost techniky.
Použití větších molekul ke zvýšení počtu qubitů dramaticky snižuje signál, který můžete zachytit z každého qubitu. Takže technika magnetické rezonance využívající šálek molekul prostě nefunguje pro mnoho více než pro hrstku qubitů.
To je důvod, proč byli fyzici tak dlouho uvězněni. Nikdo dosud nevěděl, jak zvýšit počet qubitů.
Dnes Mike Grinolds a kamarádi z Harvardské univerzity říkají, že problém rozlouskli. A způsob, jakým to udělali, je zmenšit obchodní část stroje na magnetickou rezonanci na velikost špendlíkové hlavičky. (Pokud jste někdy viděli stroj na magnetickou rezonanci, budete vědět, jaký je to výkon.)
Dokázali to umístěním silného magnetu na snímací hrot mikroskopu atomárních sil. Tímto způsobem mohou vytvořit silný gradient magnetického pole v objemu prostoru o průměru pouhých několika nanometrů. To jim umožňuje stimulovat a ovládat magnetickou rezonanci jednotlivých elektronů.
Testovali své zařízení na takzvaných dusíkových volných místech v diamantu. Ty vznikají pohřbením jednotlivých atomů dusíku do tenkých plátků diamantu. Kvantoví fyzici jsou fascinováni těmito volnými místy, protože jsou dobře chráněni před vnějším světem a tak stabilní a jsou snadno viditelní podle fotonů, které emitují.
Tato volná místa mohou být také umístěna blízko sebe, takže mohou vzájemně interagovat, což je zásadní požadavek pro kvantové počítače, protože umožňuje vytvoření kvantových logických hradel s více než jednou sadou vstupů a výstupů.
Ale takové brány budou fungovat pouze tehdy, pokud lze s elektrony na volných místech manipulovat správným způsobem.
To je přesně to, co umožňuje nová technika magnetické rezonance: manipulaci s elektrony způsobem, který lze snadno upravit pro kvantové výpočty.
Grinold a spol. říkají, že to má zajímavé potenciální aplikace od citlivých magnetometrů nanoměřítek až po škálovatelné kvantové informační procesory.
To je vzrušující průlom. Volná místa dusíku v diamantu jsou dobře prozkoumána v mnoha laboratořích po celém světě a mikroskopy atomárních sil jsou poměrně standardní součástí sady. Přidejte to k tomu, že první velký kvantový počítač téměř jistě vyhraje svému majiteli slušnou cenu, a máte všechny ingredience na závodění.
A to bez zmínky o mnoha dalších běžcích: iontové pasti, kvantové dutiny, supravodivé qubity a optická logická hradla a podobně.
V kvantové počítačové steeplechase se kdysi zdálo, že magnetická rezonance poprvé klesla. Nyní je opět v běhu a shání vedení.
Ref: arxiv.org/abs/1103.0546 : Kvantová kontrola proximálních spinů pomocí magnetické rezonance v nanoměřítku
Nyní můžete sledovat The Physics arXiv Blog na Cvrlikání