211service.com
Mod et kvanteinternet
Løftet om kvantecomputere er fristende stort: næsten øjeblikkelig problemløsning og perfekt sikker datatransmission. For det meste forbliver demonstrationer i lille målestok af kvanteberegning stadig isolerede i laboratorier over hele verden. Nu, Prem Kumar , professor i elektroteknik og datalogi ved Northwestern University, har taget et skridt i retning af at gøre kvantecomputere mere praktisk. Kumar og hans team har vist, at de kan bygge en kvantelogisk port - en grundlæggende komponent i en kvantecomputer - inden for en optisk fiber. Gaten kunne være en del af et kredsløb, der videresender information sikkert, over hundreder af kilometer fiber, fra en kvantecomputer til en anden. Det kunne også bruges alene til at finde løsninger på komplicerede matematiske problemer.
Entangled Web: De optiske komponenter på denne laboratoriebænk, såsom spejle og filtre, giver forskere i Prem Kumars laboratorium ved Northwestern University mulighed for at dirigere og manipulere lys. I Kumars seneste arbejde har han skabt en kvantelogisk gate inden for en optisk fiber; sådanne porte kunne i sidste ende muliggøre netværk af kvantecomputere.
En logisk port er en enhed, der modtager et input, udfører en logisk operation på det og producerer et output. Den type gate, som Kumar skabte, kaldet en kontrolleret IKKE-port, har en klassisk computeranalog, der vender en smule og registrerer en 1 til 0, og omvendt. Kvantelogiske porte som Kumars er blevet bygget før, men de arbejdede med laserstråler, der passerede gennem luften, ikke gennem fiber. Den nye port lægger grundlaget for eksperimenter, der demonstrerer kvantecomputeres evner i fiber, siger Kumar. Det spændende her er, at en ansøgning er inden for rækkevidde, siger han. Inden for det næste år planlægger Kumar og hans team at teste porten i en specifik applikation: at gennemføre en kompleks auktion over et sikkert kvantenetværk.
Forskere ved IBM, MIT og mange andre virksomheder og universiteter har arbejdet på kvantecomputere, siden de først blev foreslået i 1980'erne. En kvantecomputer er en enhed, der behandler informationsbidder ved at udnytte de underlige kvantemekaniske egenskaber ved partikler som elektroner og fotoner. En kvantecomputer er teoretisk i stand til at behandle eksponentielt mere information, end klassiske computere kan. Informationsenheden i en klassisk computer er bit, som repræsenterer enten et 1 eller et 0; men i en kvantecomputer er det qubit, som kan repræsentere både et 1 og et 0 på samme tid. Da qubits beregner med flere værdier på én gang, fordobles processorkraften af en kvantecomputer med hver yderligere qubit. Denne egenskab ville gøre det muligt for en kvantecomputer med kun et par hundrede qubits at klare sig markant bedre end nutidens bedste supercomputere.
Kumars gruppe laver qubits af fotoner, der er viklet ind. Det betyder, at deres fysiske karakteristika, såsom polarisering, er forbundet på en sådan måde, at hvis en foton antager en bestemt fysisk tilstand, antager den matchende foton øjeblikkeligt en tilsvarende tilstand. For et par år siden demonstrerede Kumar, at optisk fiber i sig selv kunne få fotoner til at blive viklet ind, og at de ville forblive viklet ind over en afstand på 100 kilometer. Hans seneste arbejde, beskrevet i Fysiske anmeldelsesbreve , går et skridt videre og skaber en logisk port, der sammenfiltrer fotonpar.
For at bruge denne port har Kumar brug for fotoner, der er identiske på alle måder undtagen polarisering eller orienteringen af deres elektromagnetiske felter. Disse identiske fotoner sendes gennem optisk fiber til selve porten, en lille labyrint af enheder, der dirigerer fotoner i forskellige retninger afhængigt af på deres polarisering. At passere gennem labyrinten får visse fotonpar til at blive viklet ind. Men ikke alle fotoner kommer igennem porten; først når fotoner når detektorer i den anden ende, og forskerne kan måle, om de er viklet ind eller ej, ved de, at porten lykkedes.
Den eneste måde at vide, om porten virkede eller ej, er at vente, indtil en samling fotoner er blevet affyret mod den, siger Carl Williams , koordinator for kvanteinformationsprogram ved National Institute of Standards and Technology. Det meste af tiden svigter porten, siger han. Det er en sandsynlighedssag. Men når porten svigter, ser forskerne simpelthen bort fra de usammenfiltrede fotoner.
Det fantastiske ved dette arbejde, siger Williams, er, at det er i fiber. Dette er en stor sag, fordi det kan føre til distribuerede netværk. … Den åbenlyse applikation er til langdistance kvantekommunikation mellem to mindre kvantecomputere. Et af de afgørende elementer i et konventionelt optisk netværk er en enhed kaldet en repeater, som forstærker signaler, der er blevet forringet over afstand. Williams siger, at en kvantelogisk gate, som den, Kumar byggede, kunne bruges i et kredsløb, der forstærker et signal uden at miste sammenfiltringen af fotonerne.
Dette er et vigtigt skridt i retning af at konstruere et kvante-internet, siger Seth Lloyd , professor i maskinteknik ved MIT og førende forsker i kvanteberegning. Sådan et netværk ville have beføjelser, som det almindelige internet ikke har, siger han. Især kommunikation over kvanteinternettet ville være automatisk sikker.
Lloyd bemærker, at Kumars papir illustrerer, hvordan en simpel kvantelogisk operation kan udføres ved hjælp af individuelle fotoner. Det nuværende papir repræsenterer et betydeligt fremskridt inden for teknologien til kvanteberegning og kvantenetværk, siger han.