Kvantová paměť - Quantum memory - Wikipedia

Tento článek má několik problémů. Prosím pomozte vylepši to nebo diskutovat o těchto problémech na internetu diskusní stránka. (Zjistěte, jak a kdy tyto zprávy ze šablony odebrat) tento článek může být pro většinu čtenářů příliš technická na to, aby je pochopili. Prosím pomozte to vylepšit na aby to bylo srozumitelné pro neodborníky, aniž by byly odstraněny technické podrobnosti. (Červen 2019) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) Tento článek může vyžadovat vyčištění setkat se s Wikipedií standardy kvality. Specifický problém je: záhlaví sekcí jsou velmi neuspořádaná, měla by být restrukturalizována jako u jiných vědeckých konceptů, nikoli jako výzkumná práce Prosím pomozte vylepšit tento článek jestli můžeš. (Červen 2019) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) tento článek potřebuje víc odkazy na další články pomoci integrovat to do encyklopedie. Prosím pomozte vylepšit tento článek přidáním odkazů které jsou relevantní pro kontext v rámci stávajícího textu. (Červen 2019) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

Část a série na
Kvantová mechanika
${ displaystyle i hbar { frac { částečné} { částečné t}} | psi (t) rangle = { hat {H}} | psi (t) rangle}$ Schrödingerova rovnice
Úvod Glosář Dějiny Učebnice
Pozadí Klasická mechanika Stará kvantová teorie Braketová notace Hamiltonian Rušení
Základy Soudržnost Decoherence Doplňkovost Úroveň energie Zapletení Hamiltonian Princip nejistoty Základní stav Rušení Měření Nelokálnost Pozorovatelný Operátor Kvantové Kvantová fluktuace Kvantové číslo Kvantový šum Kvantová říše Kvantový stav Kvantový systém Kvantová teleportace Qubit Roztočit Superpozice Symetrie (Spontánní) narušení symetrie Stav vakua Šíření vln Vlnová funkce Sbalení vlnové funkce Dualita vln-částic Vlna hmoty
Účinky Zeemanův efekt Stark efekt Aharonov – Bohmův efekt Landau kvantování Kvantový Hallův efekt Kvantový zeno efekt Kvantové tunelování Fotoelektrický efekt Kazimírův efekt
Experimenty Bellova nerovnost Davisson – Germer Double-slit Elitzur – Vaidman Franck – Hertz Nerovnost Leggett – Garg Mach – Zehnder Popper Kvantová guma  (zpožděná volba ) Schrödingerova kočka Stern – Gerlach Wheelerova zpožděná volba
Formulace Přehled Heisenberg Interakce Matice Fázový prostor Schrödinger Sum-over-histories (cesta-integrál)
Rovnice Dirac Hellmann – Feynman Klein – Gordon Lippmann – Schwinger Pauli Rydberg Schrödinger
Výklady Přehled Bayesian Konzistentní historie Kodaň de Broglie – Bohm Soubor Skrytá proměnná Mnoho světů Objektivní kolaps Kvantová logika Relační Stochastický Transakční
Pokročilá témata Kvantové žíhání Kvantový chaos Kvantové výpočty Kvantová geometrie Matice hustoty Teorie kvantového pole Frakční kvantová mechanika Kvantová gravitace Kvantová informační věda Kvantové strojové učení Poruchová teorie (kvantová mechanika) Relativistická kvantová mechanika Teorie rozptylu Spontánní parametrická down-konverze Kvantová statistická mechanika
Vědci Aharonov Zvonek Blackett Bloch Bohm Bohr narozený Bose de Broglie Candlin Compton Dirac Davisson Debye Ehrenfest Einstein Everett Fock Fermi Feynman Glauber Gutzwiller Heisenberg Hilbert Jordán Kramers Pauli jehněčí Landau Laue Moseley Millikan Onnes Planck Rabi Raman Rydberg Schrödinger Sommerfeld von Neumann Weyl Vídeň Vůdce Zeeman Zeilinger Goudsmit Uhlenbeck Yang
Kategorie ► Kvantová mechanika

v kvantové výpočty, kvantová paměť je kvantově mechanické verze obyčejného paměť počítače. Zatímco běžná paměť ukládá informace jako binární stavy (reprezentované „1“ sa „0“), kvantová paměť ukládá a kvantový stav pro pozdější získání. Tyto stavy obsahují užitečné výpočetní informace známé jako qubits. Na rozdíl od klasické paměti běžných počítačů mohou být stavy uložené v kvantové paměti v a kvantová superpozice, což poskytuje mnohem větší praktickou flexibilitu v kvantové algoritmy než klasické ukládání informací.

Kvantová paměť je nezbytná pro vývoj mnoha zařízení v systému kvantové zpracování informací, včetně synchronizačního nástroje, který může odpovídat různým procesy v kvantový počítač, kvantová brána, která udržuje identitu jakéhokoli stavu, a mechanismus pro převod předem určených fotonů na fotony na vyžádání. Kvantová paměť může být použita v mnoha aspektech, jako např kvantové výpočty a kvantová komunikace. Kontinuální výzkum a experimenty umožnily kvantové paměti realizovat ukládání qubitů.^[1]

Pozadí a historie

Interakce kvantového záření s více částicmi vyvolala v posledním desetiletí vědecký zájem.^{[potřebuje kontext ]} Kvantová paměť je jedno takové pole, mapující kvantový stav světla na skupinu atomů a poté jej navracet do původního tvaru. Kvantová paměť je klíčovým prvkem při zpracování informací, jako jsou optické kvantové výpočty a kvantová komunikace, a zároveň otevírá novou cestu pro základ interakce světla a atomu. Jak všichni víme, obnovení kvantového stavu světla není snadný úkol. I když bylo dosaženo působivého pokroku, vědci stále pracují na jeho uskutečnění.^[2]

Kvantová paměť založená na kvantové výměně je možné ukládat fotonové qubity Kessel a Moiseev^[3] diskutoval kvantové ukládání ve stavu jediného fotonu v roce 1993. Experiment byl analyzován v roce 1998 a demonstroval v roce 2003. Studii kvantového ukládání ve stavu jediného fotonu lze v zásadě považovat za produkt klasické technologie ukládání optických dat navržené v 1979 a 1982. Nejen to, ale tato myšlenka byla inspirována vysokou hustotou ukládání dat v polovině 70. let. Optického ukládání dat lze dosáhnout použitím absorbérů k absorbování různých frekvencí světla, které jsou poté směrovány do bodů paprskového prostoru a uloženy.

Typy

Světelná kvantová paměť

Normální, klasické optické signály se přenášejí změnou amplitudy světla. V takovém případě lze k uložení informací na lampě použít kousek papíru nebo pevný disk počítače. Ve scénáři kvantové informace však může být informace kódována podle amplitudy a fáze světla. U některých signálů nemůžete měřit amplitudu i fázi světla, aniž byste rušili signál. Chcete-li uložit kvantové informace, musíte uložit samotné světlo, aniž byste je měřili. Pokud to změříte, informace se ztratí. Světlo pro kvantovou paměť zaznamenává stav světla do atomového mraku. Když je světlo absorbováno atomy, mohou zadat všechny informace o kvantu světla.^[4]

Pevná kvantová paměť

V klasických počítačích je paměť triviální zdroj, který lze replikovat v hardwaru s dlouhou životností a později jej získat pro další zpracování. V kvantových výpočtech je to zakázáno, protože podle věty o klonech nelze kvantový stav reprodukovat úplně. Proto při absenci korekce kvantové chyby je ukládání qubitů omezeno dobou vnitřní koherence fyzických qubitů, které drží informace. „Kvantová paměť“ nad dané limity úložiště fyzických qubitů, bude se jednat o přenos kvantové informace do „ukládání qubitů“, „ukládání qubitů“ není snadno ovlivňováno hlukem prostředí a dalšími faktory, a poté v případě potřeby informace zpět na preferované „process qubits“, umožňující rychlý provoz nebo čtení.^[5]

Objev

Optická kvantová paměť se obvykle používá k detekci a ukládání kvantových stavů jednotlivých fotonů. Výroba takové účinné paměti je však pro současnou vědu stále velkou výzvou. Jeden foton má příliš nízkou energii na to, aby se ztratil ve složitém světlém pozadí. Tyto problémy již dlouho potlačovaly kvantové rychlosti ukládání pod 50%. Tým vedený profesorem Du Shengwangem z katedry fyziky na hongkongské univerzitě vědy a technologie^[6] a William Mong Institute of Nano Science and Technology at HKUST ^[7] našel způsob, jak zvýšit účinnost optické kvantové paměti na více než 85 procent. Objev také přibližuje popularitu kvantových počítačů realitě. Současně lze kvantovou paměť použít také jako opakovač v kvantové síti, který vytváří základ pro kvantový internet.

Výzkum a aplikace

Kvantová paměť je důležitou součástí aplikací pro zpracování kvantových informací, jako je kvantová síť, kvantový opakovač, lineární optický kvantový výpočet nebo kvantová komunikace na velké vzdálenosti.^[8]

Optické ukládání dat je po mnoho let důležitým výzkumným tématem. Jeho nejzajímavější funkcí je použití zákonů kvantové fyziky k ochraně dat před krádeží, prostřednictvím kvantového výpočtu a kvantové kryptografie bezpodmínečně zaručené bezpečnosti komunikace.^[9]

Umožňují superponování částic a ve stavu superpozice, což znamená, že mohou představovat více kombinací najednou. Tyto částice se nazývají kvantové bity neboli qubity. Z pohledu kybernetické bezpečnosti je kouzlo qubitsů v tom, že pokud se je hacker pokusí pozorovat při přenosu, jejich křehké kvantové stavy se rozbijí. To znamená, že hackeři nemohou manipulovat se síťovými daty bez zanechání stopy. Mnoho společností nyní využívá tuto funkci k vytváření sítí, které přenášejí vysoce citlivá data. Teoreticky jsou tyto sítě zabezpečené.^[10]

Skladování v mikrovlnné troubě a mikrovlnná konverze na učení světla

The centrum pro uvolnění dusíku in diamond přilákal v uplynulém desetiletí mnoho výzkumů díky svému vynikajícímu výkonu v optických nanofotonických zařízeních. V nedávném experimentu elektromagneticky indukovaná průhlednost byla implementována na víceprůchodovém diamantovém čipu k dosažení plného snímání fotoelektrického magnetického pole. Navzdory těmto úzce souvisejícím experimentům musí být optické úložiště v praxi ještě implementováno. Struktura energetické úrovně stávajícího centra pro uvolňování dusíku (negativní náboj a neutrální centrum pro uvolňování dusíku) umožňuje optické ukládání diamantového centra pro uvolňování dusíku.

Spojení mezi dusíkem uvolněným spinovým souborem a supravodivými qubity poskytuje možnost mikrovlnného skladování supravodivých qubitů. Optické úložiště kombinuje vazbu elektronového spinového stavu a supravodivých kvantových bitů, což umožňuje, aby centrum volného dusíku v diamantu hrálo roli v hybridním kvantovém systému vzájemné přeměny koherentního světla a mikrovln.^[11]

Orbitální moment hybnosti je uložen v základní páře

Velká hloubka rezonančního světla je předpokladem pro konstrukci efektivní kvantově-optické paměti. Izotopy par alkalických kovů s velkým počtem optických hloubek vlnové délky blízké infračervené oblasti, protože jsou relativně úzké spektrální linie a počet vysokých hustot za tepla 50 - 100 ° C. Alkalické páry byly použity v některých z nejvíce důležitý vývoj paměti, od raného výzkumu po nejnovější výsledky, o kterých diskutujeme, kvůli jejich vysoké optické hloubce, dlouhé koherentní době a snadnému optickému přechodu v blízké infračervené oblasti.

Díky své vysoké schopnosti přenosu informací se lidé stále více zajímají o její aplikaci v oblasti kvantových informací. Strukturované světlo nese orbitální moment hybnosti, které musí být uloženy v paměti, je věrná reprodukce uložených strukturních fotonů. Kvantová paměť atomových par je ideální pro ukládání takových paprsků, protože orbitální moment hybnosti fotonů lze mapovat na fázi a amplitudu distribuované integrační excitace. Difúze je hlavním omezením této techniky, protože pohyb horkých atomů ničí prostorovou koherenci akumulační excitace. Časné úspěchy zahrnovaly ukládání slabě koherentních pulzů prostorové struktury v teplém, ultrachladném atomovém celku. V jednom experimentu stejná skupina vědců ve dvouoběžném cesiu magnetooptická past byl schopen ukládat a získávat vektorové paprsky na úrovni jednotlivých fotonů, charakterizované změnami v rovinné polarizaci příčného paprsku. Paměť zachovává rotační invariantnost vektorového paprsku, což umožňuje její použití ve spojení s qubity kódovanými pro nesprávně nastavenou imunitní kvantovou komunikaci.

První skladovací struktura, skutečný jediný foton, byla dosažena elektromagneticky indukovanou průhledností v magneticko-optické pasti rubidia. Předpovídaný jediný foton generovaný spontánně čtyřvlnné míchání v jedné magnetooptické pasti je připravena orbitální jednotkou momentu hybnosti pomocí desek spirálové fáze, uložena ve druhé magnetooptické pasti a obnovena. Nastavení duální oběžné dráhy také dokazuje koherenci v multimódové paměti, kde předem ohlášený jediný foton ukládá stav superpozice orbitální momentu hybnosti po dobu 100 nanosekund.^[12]

Optické kvantum

KLENOT

GEM (Gradient Echo Memory) je technologie optického ukládání fotonické ozvěny. Myšlenku poprvé prokázali vědci z ANU. Jejich experimentem je tříúrovňový systém založený na páře. Tento systém je nejúčinnější, jaký jsme kdy viděli v horké páře, a to až 87%.^[13]

Elektromagneticky indukovaná průhlednost

Elektromagneticky indukovaná průhlednost byla poprvé představena Harrisem a jeho kolegy na Stanford University v roce 1990.^[14] Práce ukazuje, že když laserový paprsek způsobí kvantovou interferenci mezi excitačními cestami, optická odezva atomového média se upraví tak, aby se eliminovala absorpce a lom na rezonančních frekvencích atomových přechodů. Pomalé světlo, optické úložiště a kvantová paměť jsou realizovány na základě elektromagneticky indukované průhlednosti. Ve srovnání s jinými přístupy má přístup k elektromagneticky indukované transparentnosti dlouhou dobu skladování a jeho implementace je relativně snadným a levným řešením. Elektromagneticky indukovaná průhlednost nevyžaduje velmi vysoké výkonové řídicí paprsky vyžadované pro Ramanovu kvantovou paměť, ani nevyžaduje specifické teploty kapalného helia. Kromě toho, na rozdíl od metody založené na fotonové ozvěně, může fotonová ozvěna číst elektromagneticky indukovanou transparentnost, zatímco spinová koherence přežívá kvůli časovému zpoždění výstupního pulzu způsobeného zotavením spinem v nerovnoměrně rozšířeném médiu. Ačkoli existují určitá omezení na provozní vlnové délce, šířce pásma a kapacitě režimu, byly vyvinuty techniky, které umožňují kvantovou paměť elektromagnetické indukce transparentnosti v kvantových informačních systémech.^[15] V roce 2018 byla prokázána vysoce účinná kvantová paměť založená na EIT ve studeném atomu s 92% účinností ukládání, což je dosud nejvyšší rekord.^[16]

Krystaly dotované vzácnými zeminami

Kvantová informatika se zaměřuje na vzájemnou transformaci kvantové informace mezi světlem a hmotou. Je zkoumána interakce mezi jediným fotonem a ochlazeným krystalem dopovaným ionty vzácných zemin. Krystaly dotované vzácnými zeminami mají široké uplatnění v oblasti kvantového ukládání, protože poskytují jedinečný aplikační systém.^[17] Li Chengfeng z kvantové informační laboratoře Čínské akademie věd vyvinul kvantovou paměť v pevném stavu a demonstroval výpočetní funkci fotonů pomocí času a frekvence. Na základě tohoto výzkumu lze vytvořit kvantovou síť ve velkém měřítku založenou na kvantovém opakovači využitím úložiště a koherence kvantových stavů v hmotném systému. Vědci poprvé ukázali krystaly dopované ionty vzácných zemin. Kombinací trojrozměrného prostoru s dvourozměrným časem a dvourozměrným spektrem se vytvoří druh paměti, který se liší od obecné. Má multimode kapacitu a může být také použit jako vysoce věrný kvantový převodník. Experimentální výsledky ukazují, že ve všech těchto operacích může být věrnost trojrozměrného kvantového stavu neseného fotonem udržována na přibližně 89%.^[18]

Ramanův rozptyl v pevných látkách

Diamond má velmi vysoký Ramanův zisk v režimu optického fononu 40 THz a má široké přechodové okno ve viditelném a blízkém infračerveném pásmu, díky čemuž je vhodný jako optická paměť s velmi širokým pásmem. Po interakci Ramanova úložiště se optický fonon rozpadá na dvojici fotonů kanálem a životnost rozpadu je 3,5 ps, což činí diamantovou paměť nevhodnou pro komunikační protokol.

Diamantová paměť nicméně umožnila některé odhalující studie interakcí mezi světlem a hmotou na kvantové úrovni: optické fonony v diamantu lze použít k prokázání emisní kvantové paměti, makroskopického zapletení, předpovídaného úložiště jednoho fotonu a jednoho fotonu frekvenční manipulace.^[19]

Budoucí vývoj

Pro kvantovou paměť jsou budoucí směry výzkumu kvantová komunikace a kryptografie. Při budování globální kvantové sítě však existuje mnoho výzev. Jedním z nejdůležitějších úkolů je vytvářet vzpomínky, které mohou ukládat kvantové informace nesené světlem. Vědci na univerzitě v Ženevě ve Švýcarsku ve spolupráci s francouzským CNRS objevili nový materiál, ve kterém může prvek zvaný ytterbium uchovávat a chránit kvantové informace, a to i při vysokých frekvencích. Díky tomu je ytterbium ideálním kandidátem pro budoucí kvantové sítě. Vzhledem k tomu, že signály nelze replikovat, vědci nyní studují, jak je možné vytvořit kvantové paměti, které se budou pohybovat stále dál a dále tím, že zachycují fotony a synchronizují je. Za tímto účelem je důležité najít správné materiály pro vytváření kvantových vzpomínek. Ytterbium je dobrý izolátor a pracuje na vysokých frekvencích, takže lze fotony ukládat a rychle obnovovat.

Viz také

• Qubit
• Kvantové

Reference

externí odkazy

• 2007 „plán“