Pamięć kwantowa tuż za rogiem. Jest ważny przełom
Podobnie jak ich konwencjonalne odpowiedniki, sieci kwantowe wymagają elementów pamięci, w których można tymczasowo przechowywać informacje i wykorzystać je w razie potrzeby. Zespół naukowców z Uniwersytetu w Bazylei pod kierownictwem profesora Philippa Treutleina opracował taki właśnie element pamięci, który nadaje się do masowej produkcji.
Magazynowanie fotonów w szklanych ogniwach
Światło szczególnie dobrze nadaje się do przesyłania informacji kwantowej. Fotony można wykorzystać do przesyłania informacji kwantowej za pośrednictwem kabli światłowodowych albo laserem do satelitów. Naukowcy chcieliby też przesyłać je do pamięci kwantowej. I to właśnie w pamięci należy możliwie najdokładniej zapisać stan mechaniki kwantowej fotonów, aby po pewnym czasie ponownie je przekształcić w fotony i odczytać zapisaną tam informację. Brzmi prosto, ale to jedno z największych wyzwań nauki.
Więcej ciekawych wiadomości o komputerach kwantowych przeczytasz na Spider`s Web:
Co to jest pamięć kwantowa?
Pamięć kwantowa to urządzenie, które może przechowywać i odtwarzać informacje kwantowe. Informacje kwantowe to z kolei informacje zapisane w stanie kwantowym, czyli najmniejszej jednostce fizycznej, która może być w dwóch stanach jednocześnie. Nazywa się to superpozycją i jest jedną z dziwnych właściwości świata kwantowego.
Informacje kwantowe mają wiele zalet nad informacjami klasycznymi, które zapisujemy w bitach, czyli zerach i jedynkach. Na przykład informacje kwantowe mogą być szyfrowane w sposób nie do złamania, ponieważ każda próba odczytania stanu kwantowego zaburza go i zmienia. To nazywa się kryptografią kwantową i może zapewnić bezpieczną transmisję wiadomości.
Ponadto informacje kwantowe mogą być przetwarzane w sposób znacznie szybszy i wydajniejszy niż informacje klasyczne, ponieważ można wykorzystać superpozycję i splątanie, czyli zjawisko, w którym dwa stany kwantowe są ze sobą powiązane bez względu na odległość. Dzięki temu komputerem kwantowy może rozwiązywać problemy, które są zbyt trudne lub niemożliwe dla komputerów klasycznych.
Aby wykorzystać te zalety, potrzebujemy jednak sposobu na przechowywanie i odtwarzanie informacji kwantowych. Nie możemy po prostu zapisać stanu kwantowego na dysku twardym lub pendrivie, ponieważ proces zapisu i odczytu zaburzyłby go i zniszczył. Dlatego potrzebujemy pamięci kwantowej, która może zachować stan kwantowy tak długo, jak to potrzebne, i odtworzyć go bez błędów.
Jak działa pamięć kwantowa oparta na atomach w komórce szklanej?
Jednym z możliwych sposobów na zbudowanie pamięci kwantowej jest użycie atomów jako nośników informacji kwantowej. Atomy mają własne stany kwantowe, które nazywamy poziomami energetycznymi. Możemy manipulować tymi stanami za pomocą światła laserowego i przenosić na nie informacje kwantowe z fotonów.
Aby przechować wiele informacji kwantowych potrzebujemy wielu atomów. Naukowcy z Uniwersytetu Bazylejskiego użyli rubidu, czyli pierwiastka chemicznego, który ma 37 elektronów i jest często stosowany w zegarach atomowych. Umieścili oni rubid w małej komórce szklanej o wymiarach kilku milimetrów. Komórka ta była podgrzewana do 100 stopni Celsjusza, aby zwiększyć ciśnienie pary rubidowej i poddawana silnemu polu magnetycznemu o wartości 1 tesli, czyli ponad 10 tysięcy razy większemu niż pole magnetyczne Ziemi. To spowodowało, że poziomy energetyczne atomów rubidu uległy przesunięciu i ułatwiło zapis i odczyt informacji kwantowych za pomocą dodatkowego wiązki laserowej.
Naukowcy z Uniwersytetu Bazylejskiego pokazali, że mogą przechować i odtworzyć informacje kwantowe z fotonów na atomach rubidu w komórce szklanej przez około 100 nanosekund. To może wydawać się bardzo krótkim czasem, ale w tym czasie wolne fotony przebyłyby 30 m.
W ten sposób po raz pierwszy zbudowaliśmy miniaturową pamięć kwantową na fotony. Na jednej płytce można równolegle wytworzyć około 1000 kopii
- powiedział profesor Philipp Treutlein, kierownik badania.
Pamiętajmy też, że to dopiero pierwszy krok. Naukowcy twierdzą, że można poprawić czas przechowywania i jakość odtwarzania poprzez optymalizację parametrów eksperymentu. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie naukowym Physical Review Letters.
Dlaczego to jest ważne?
Pamięć kwantowa oparta na atomach w komórce szklanej może być kluczowym elementem do budowy sieci kwantowych, które będą łączyć komputery kwantowe i zapewniać bezpieczną komunikację kwantową. Sieci kwantowe będą wymagać pamięci kwantowych, aby przechowywać i kierować informacje kwantowe według potrzeb.
Pamięć kwantowa oparta na atomach w komórce szklanej jest więc nie tylko ciekawym osiągnięciem naukowym, ale także praktycznym narzędziem do realizacji technologii kwantowych, które mogą zmienić nasz świat.
