หนึ่งอะตอม + สองโฟตอน = สวิตช์คอมพิวเตอร์ควอนตัม

หนึ่งอะตอม + สองโฟตอน = สวิตช์คอมพิวเตอร์ควอนตัม

jumbo jili

โครงการที่ใช้อะตอมเดี่ยวเพื่อเปลี่ยนทิศทางของโฟตอนเดียวสามารถปูทางไปสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทรงพลังกว่าเครื่องจักรในปัจจุบัน
การตั้งค่าดังกล่าวได้อธิบายไว้ในนิตยสารScienceฉบับออนไลน์ในสัปดาห์นี้โดยนักวิจัยจากสถาบันวิทยาศาสตร์ Weizmann ในเมือง Rehovot ประเทศอิสราเอล พูดง่ายๆ อะตอมสามารถอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่งจากสองสถานะ “ซ้าย” หรือ “ขวา” หากอะตอมอยู่ในสถานะด้านซ้าย โฟตอนที่กระทบกับอะตอมจากด้านซ้ายจะยังคงไปในทิศทางเดียวกัน ราวกับว่ามันไม่ได้กระทบกับอะตอมเลย อย่างไรก็ตาม โฟตอนที่มาจากทางขวาจะสะท้อนกลับไปในทิศทางที่มันมาจาก และในขณะเดียวกัน ปฏิสัมพันธ์จะทำให้อะตอมพลิกจากซ้ายไปขวา ซ้ายและขวาสามารถยืนใน 1 วินาทีและ 0 วินาทีของตรรกะดิจิทัล

สล็อต

Barak Dayanหัวหน้ากลุ่ม Weizmann Quantum Optics กล่าวว่าหลักการพื้นฐานในการทำงานคือการรบกวน ในทิศทางเดียว ph ton ไม่มีปฏิกิริยากับอะตอมและยังคงไปในทิศทางเดียวกัน แต่ในอีกทางหนึ่ง มีการแทรกแซงแบบทำลายล้างระหว่างโฟตอนที่เข้ามาและการปล่อยก๊าซออกจากอะตอมในทิศทางการเดินทาง ดังนั้นทิศทางเดียวที่แสงสามารถเดินทางเข้ามาได้ก็คือทิศทางที่แสงเดินทางกลับมา การสะท้อนแต่ละครั้งจะเปลี่ยนสถานะของอะตอม
คอมพิวเตอร์ควอนตัมประเภทหนึ่งที่อยู่ระหว่างการพัฒนาใช้สถานะทางไฟฟ้าของไอออนเป็นบิตหรือค่อนข้างเป็นคิวบิตซึ่งประกอบเป็นตรรกะ ความยากลำบาก Dayan กล่าวคือในการสื่อสารสถานะของอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งจะต้องถูกเคลื่อนย้ายให้อยู่ติดกันหรือต้องถ่ายโอนสถานะจากไอออนหนึ่งไปยังอีกไอออนทีละตัวไปยังปลายทางสุดท้าย ในรูปแบบอะตอมมิกของ “ที่ทำการไปรษณีย์” เขากล่าวว่าการใช้แสงแทนหมายความว่า qubit ใด ๆ สามารถแบ่งปันข้อมูลกับคนอื่น ๆ ได้โดยไม่คำนึงว่าพวกมันจะห่างกันแค่ไหนจึงทำให้ระบบง่ายขึ้น
ขั้นตอนต่อไปของกลุ่มคือการกำหนดข้อมูลควอนตัมโฟตอน เช่น การซ้อนทับ โดยพื้นฐานแล้วทำให้พวกมันเป็นทั้งด้านขวาและด้านซ้ายในเวลาเดียวกัน เป็นความสามารถในการเก็บสถานะหลายสถานะพร้อมกัน แทนที่จะเป็น 1 หรือ 0 ซึ่งสัญญาว่าจะทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีประสิทธิภาพมากกว่าคอมพิวเตอร์ดิจิทัล Dayan หวังว่ากลุ่มของเขาจะสามารถบรรลุเป้าหมายได้ภายในเวลาไม่กี่เดือน
คู่แข่งควอนตัม
ตัวนำยิ่งยวด: Qubits สามารถทำจากวัสดุที่เป็นตัวนำยิ่งยวดเช่นอลูมิเนียมที่จับคู่กับฉนวนบาง ๆ ที่อิเล็กตรอนสามารถลอดผ่านได้ มีหลายวิธีในการสร้าง qubit ในระบบนี้ หนึ่งคือการใช้ทิศทางของกระแสที่ไหลไปรอบ ๆ ลูปเพื่อสร้าง “ฟลักซ์ qubit” เมื่อคิวบิตอยู่ในสถานะซ้อนทับกัน กระแสจะไหลทั้งสองทิศทางพร้อมกัน ระบบ D-Wave ที่เริ่มต้นขึ้นกำลังสร้างระบบ 1024 คิวบิตโดยใช้เทคโนโลยีฟลักซ์-คิวบิต แต่นักวิจัยมักให้ความสำคัญกับการพัฒนาอุปกรณ์มากกว่าขนาดระบบ ระบบที่ใหญ่ที่สุดในห้องปฏิบัติการได้รวมไว้เพียง 5 qubits qubits ห้องปฏิบัติการล่าสุดเหล่านี้เรียกว่า qubits ของประจุ และมักขึ้นอยู่กับประจุไฟฟ้าทั้งหมด
ความเสถียรของ qubits ตัวนำยิ่งยวดได้รับการปรับปรุงอย่างน่าทึ่งในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา และสามารถพันกันได้ด้วยความเที่ยงตรงที่ดีผ่านบัสตัวนำยิ่งยวด แต่พื้นที่ที่ต้องการค่อนข้างใหญ่ — qubit สามารถวัดเป็นมิลลิเมตรเมื่อรวม resonator ที่จำเป็นในการควบคุม อุณหภูมิที่ต่ำมากในสิบมิลลิเคลวินก็จำเป็นเช่นกันสำหรับการทำงานที่เหมาะสมที่สุด
กับดักไอออน:อิเล็กตรอนที่อยู่นอกสุดของไอออนเช่นแคลเซียมสามารถใช้เพื่อสร้าง qubit ที่ประกอบด้วยสองสถานะซึ่งสามารถกำหนดได้โดยสถานะการโคจรของอิเล็กตรอนหรือปฏิสัมพันธ์กับนิวเคลียสของอะตอม กับดักไอออนเป็นหนึ่งในระบบคอมพิวเตอร์ควอนตัมแรกสุดที่มีการตรวจสอบ โดยเริ่มตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1990 พวกมันถูกย่อให้เล็กลงและสามารถนำไปใช้กับชิปที่มีอิเล็กโทรด ซึ่งใช้ในการระงับไอออนกลางอากาศและเคลื่อนย้ายพวกมันไปรอบๆ มีการสร้างกับดักไอออนที่สามารถเก็บได้มากถึง 10 qubits ต่อครั้ง
เนื่องจากไอออนถูกสร้างขึ้นเพื่อโฮเวอร์ คิวบิตที่สร้างขึ้นในลักษณะนี้สามารถแยกออกจากทุ่งเร่ร่อนได้ดีและค่อนข้างเสถียร อย่างไรก็ตาม มีข้อเสียบางประการสำหรับแนวทางนี้ คิวบิตต้องสร้างขึ้นในสุญญากาศสูงพิเศษเพื่อป้องกันการมีปฏิสัมพันธ์กับอะตอมและโมเลกุลอื่นๆ และต้องผลักไอออน qubits เข้าด้วยกันเพื่อพันกัน ซึ่งทำได้ยากด้วยความแม่นยำสูงเนื่องจากสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า
เพชร:ข้อบกพร่องของอะตอมในเพชรได้กลายเป็นหนึ่งในวิธีการชั้นนำในการสร้าง qubits ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ข้อบกพร่องดังกล่าวเป็นสิ่งที่ทำให้เพชรมีสี (เพชรเจือไนโตรเจนมีโทนสีเหลือง) หนึ่งใน qubits ที่มีแนวโน้มมากที่สุดคืออะตอมไนโตรเจนที่ครอบครองสถานที่ใกล้กับไซต์ที่ว่างภายในตาข่ายเพชร เช่นเดียวกับในซิลิคอนเจือ ข้อบกพร่องนี้สามารถใช้เพื่อสร้าง qubit สองชนิดที่แตกต่างกัน หนึ่งสามารถสร้างได้จากการหมุนรวมของอิเล็กตรอนสองตัวที่ดึงดูดอะตอมไนโตรเจน นอกจากนี้ยังสามารถสร้าง qubit ได้โดยใช้การหมุนของนิวเคลียสของอะตอมไนโตรเจน
qubits เพชรดังกล่าวมีความน่าดึงดูดใจเพราะพวกมันโต้ตอบกับแสงที่มองเห็นได้ ซึ่งจะช่วยให้การสื่อสารและพัวพันในระยะไกลเป็นไปได้ ระบบสามารถมีความเสถียรเพียงพอสำหรับการคำนวณจนถึงอุณหภูมิห้อง ความท้าทายประการหนึ่งที่นักวิจัยต้องจัดการคือการจัดตำแหน่งอะตอมไนโตรเจนอย่างแม่นยำ สิ่งนี้จะนำเสนออุปสรรคในการสร้างอาร์เรย์ขนาดใหญ่ที่จำเป็นสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมเอนกประสงค์เต็มรูปแบบ จนถึงปัจจุบัน นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถพัวพันสอง qubits สิ่งนี้เกิดขึ้นโดยมีข้อบกพร่องสองประการในผลึกเพชรเม็ดเดียวกันและมีข้อบกพร่องสองประการที่แยกจากกันมากถึง 3 เมตร
ซิลิคอน:มีตัวเลือกสองสามอย่างสำหรับการสร้าง qubits ด้วยซิลิกอน เช่นเดียวกับเพชร อะตอมของสารเจือปนสามารถเติมลงในคริสตัลได้ ฟอสฟอรัสและสารหนูเป็นทางเลือกทั่วไป การหมุนของนิวเคลียสของอะตอมเจือปนหรือการหมุนของอิเล็กตรอนที่โคจรรอบมัน ก็สามารถนำมาใช้สร้างควิบิตได้ qubits สปินที่คล้ายกันสามารถทำได้โดยใช้โครงสร้างอิเล็กโทรดและเซมิคอนดักเตอร์เพื่อดักอิเล็กตรอนภายในจุดควอนตัม
การใช้ซิลิกอนที่ผ่านการทำให้บริสุทธิ์แล้วยกเว้นไอโซโทปเพียงตัวเดียวช่วยเพิ่มความเสถียรของระบบคิวบิต วัสดุนี้ถือเป็นสถิติสำหรับเวลาที่เชื่อมโยงกันของ qubit ที่ยาวที่สุด ซิลิคอนยังมีข้อได้เปรียบในด้านการผลิต เนื่องจากระบบสามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้เครื่องมือและโครงสร้างพื้นฐานที่อุตสาหกรรมไมโครอิเล็กทรอนิกส์วางไว้แล้ว แต่จุดควอนตัมขนาดเล็กและระบบผู้บริจาคจะทำให้การบูรณาการในวงกว้างมีความท้าทายมากขึ้น แม้ว่าสถาปัตยกรรมที่ปรับขนาดได้จะมีอยู่บนกระดาษ แต่ก็ยังไม่ได้แสดงให้เห็น จนถึงตอนนี้ การวิจัยส่วนใหญ่จำกัดเฉพาะระบบสารเจือปนเดี่ยว
อุปกรณ์รบกวนควอนตัมที่มีตัวนำยิ่งยวดหรือ SQUID เย็นลงถึงสองสามองศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์สามารถทำสิ่งที่น่าทึ่งได้: ตรวจจับสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มเพียงหนึ่งในล้านของสมองมนุษย์ หรือน้อยกว่า 5 ในล้านล้านของเทสลา

สล็อตออนไลน์

การวัดสนามแม่เหล็กในนาทีนั้นมีประโยชน์สำหรับหลาย ๆ อย่าง รวมถึงการสำรวจทางธรณีฟิสิกส์และโบราณคดี การตรวจจับพื้นหลังไมโครเวฟในจักรวาล การทดสอบวัสดุและอุปกรณ์โดยไม่ทำลาย และการถ่ายภาพสมอง หัวใจ และส่วนอื่นๆ ของร่างกาย คิดค้นขึ้นเมื่อ 50 ปีที่แล้ว ปัจจุบัน SQUID มีให้เลือกหลายสิบชนิด ด้วยวัสดุและวงจรไฟฟ้าที่แตกต่างกัน และอุณหภูมิในการทำงานสูง (ที่ช่วงไนโตรเจนเหลวประมาณ 77 เคลวิน) และต่ำ (น้อยกว่า 10 K ในขอบเขตของ ฮีเลียมเหลว)
ถึงแม้ว่าพวกมันจะสวยงาม แต่ดูเหมือนว่า SQUID จะถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยไม่ได้ตั้งใจ ในช่วงทศวรรษที่ 1950 และ 1960 ห้องปฏิบัติการทางอุตสาหกรรมและทางวิชาการได้ติดตามตัวนำยิ่งยวดด้วยความกระตือรือร้นที่เกือบจะเหมือนกันกับที่พวกเขาทุ่มเทให้กับเซมิคอนดักเตอร์ Bell Telephone Laboratories, General Electric, IBM, RCA และ Westinghouse ล้วนมีโปรแกรมด้านการนำไฟฟ้ายิ่งยวด
และถึงกระนั้น SQUID ก็ไม่ได้มาจากกลุ่มใดกลุ่มหนึ่งในเดือนสิงหาคม มันถูกคิดค้นขึ้นแทนที่ Ford Motor Co. ซึ่งห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์นั้นกลายเป็นญาติที่พุ่งพรวดในฉากการวิจัยขององค์กร สร้างขึ้นในปี 1951 ในเมืองเดียร์บอร์น รัฐมิชิแกน ห้องปฏิบัติการดำเนินการตามปรัชญาที่ก่อตั้งโดยBell Labs ของ AT&Tและ Thomas J. Watson Research Center ของ IBM และปัจจุบันถูกละทิ้งโดยพื้นฐานแล้ว สถาบันที่ยอดเยี่ยมเหล่านี้ดำเนินตามหัวข้อการวิจัย ไม่ใช่เพราะพวกเขามีแนวโน้มที่จะมีส่วนสนับสนุนผลกำไรของบริษัทแม่ในเร็วๆ นี้ แต่เนื่องจากบริษัทเชื่อว่าการวิจัยเพื่อการวิจัยเป็นสิ่งที่บริษัทจริงทำ
“เรามีอิสระที่จะทำในสิ่งที่เราสนใจ” อาร์โนลด์ ซิลเวอร์ผู้ซึ่งทำงานในห้องทดลองของฟอร์ดในยุครุ่งเรืองกล่าว “เราสามารถทำตามจมูกของเรา—และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราสามารถติดตามข้อมูลได้” ในปีพ.ศ. 2506 ซิลเวอร์เป็นสมาชิกของทีมนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่มีความสามารถ ซึ่งสังเกตเห็นปรากฏการณ์ที่น่าสงสัยในตัวอย่างซิลิกอนเจือฟอสฟอรัสที่หล่อเลี้ยงด้วยซุปเปอร์คูล จากนั้นจึงปฏิบัติตามจนถึงข้อสรุปเชิงตรรกะ
เช่นเดียวกับการค้นพบพื้นหลังไมโครเวฟในจักรวาลที่ Bell Labs ในปี 1964 และการแสดงเรขาคณิตเศษส่วนที่ IBM ในปี 1982 การประดิษฐ์ SQUID ที่ Ford ไม่ได้ให้ประโยชน์ที่ชัดเจนต่อธุรกิจหลักของบริษัท และถึงกระนั้น ความก้าวหน้าทั้งหมดเหล่านี้ก็ได้ปฏิวัติหมวดหมู่หลัก ๆ ของวิทยาศาสตร์ในที่สุด และทำให้บริษัทได้รับเกียรติอย่างมหาศาล เรื่องราวของ SQUID เช่นเดียวกับการค้นพบครั้งใหม่อื่นๆ ยังพูดถึงคำถามที่ว่าในสภาพแวดล้อมการวิจัยขององค์กรที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวดมากขึ้น การค้นพบโดยบังเอิญและพื้นฐานเหล่านี้จะมาจากไหน คำถามมีความสำคัญมากกว่าเมื่อเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ เช่น SQUID ซึ่งต้องใช้เวลาหลายทศวรรษกว่าจะพบการใช้งานอย่างแพร่หลาย

jumboslot

เมล็ดพันธุ์ปลาหมึกถูกปลูกไว้อย่างดีก่อนไปทำงานที่เดียร์บอร์น ย้อนกลับไปในปี 1911 นักฟิสิกส์ชาวดัตช์Heike Kamerlingh Onnes [PDF] ได้สังเกตเห็นความเป็นตัวนำยิ่งยวดเป็นครั้งแรก เมื่อเขาประสบความสำเร็จในการทำให้ปรอทเย็นตัวลงเหลือระดับเหนือศูนย์สัมบูรณ์ไม่กี่องศา ที่อุณหภูมินี้ การสั่นสะเทือนของอะตอมในวัสดุจะลดลงจนถึงจุดที่จะไม่สร้างความต้านทานต่อการไหลของอิเล็กตรอนอีกต่อไป ดังนั้นกระแสสามารถคงอยู่ในวัสดุ supercooled ได้อย่างไม่มีกำหนดและไม่ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าในการผลักดัน นั่นคือมันจะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวด
การวิจัยเรื่องตัวนำยิ่งยวดยังคงดำเนินต่อไปที่ขอบของฟิสิกส์จนถึงปี 1950 จุดสูงสุดจุดหนึ่งเกิดขึ้นในปี 1957 เมื่อ John Bardeen (ผู้ร่วมคิดค้นทรานซิสเตอร์), Leon Cooper และ Robert Schrieffer ตีพิมพ์คำอธิบายอะตอมของปรากฏการณ์ ซึ่งกลายเป็นที่รู้จักในชื่อทฤษฎี BCS ทั้งสามภายหลังได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์สำหรับผลงานของพวกเขา
แม้ในขณะที่ Bardeen, Cooper และ Schrieffer กำลังปรับปรุงคำอธิบายเชิงทฤษฎีของพวกเขา งานที่อื่นเน้นไปที่การสร้างอุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวดที่มีประโยชน์ ที่จริงแล้ว เช่นเดียวกับนาโนเทคโนโลยีในช่วงเปลี่ยนศตวรรษนี้ ความเป็นตัวนำยิ่งยวดในทศวรรษ 1950 และ 60 ได้รับการพิจารณาว่าเป็นเรื่องใหญ่ต่อไป คิดว่าตัวนำยิ่งยวดจะปฏิวัติคอมพิวเตอร์และการคำนวณและเปลี่ยนกริดพลังงานโดยกำจัดการสูญเสียความต้านทานในการส่งและการกระจาย มหัศจรรย์ยิ่งกว่านั้นก็คือการใช้ตัวนำยิ่งยวดในการตั้งอาณานิคมในอวกาศและรถยนต์ที่ลอยได้. ในบทความที่ทรงอิทธิพลในปี 1968 เรื่อง “ลักษณะทางเศรษฐศาสตร์ของตัวนำยิ่งยวด” นักฟิสิกส์ Roland W. Schmitt และ W. Adair Morrison เสนอว่าตัวนำยิ่งยวดอาจประสบความสำเร็จในทรานซิสเตอร์สองขั้วและในที่สุดก็ทำซ้ำความสำเร็จของตลาดของเซมิคอนดักเตอร์ ไม่แปลกใจเลยที่บริษัทที่มุ่งเน้นด้านเทคโนโลยีขนาดใหญ่ทุกแห่งในโลกมีกลุ่มตัวนำยิ่งยวด
ก้าวย่างสำคัญสู่การนำตัวนำยิ่งยวดในเชิงพาณิชย์มาสู่ตลาดในปี 1962 เมื่อBrian Josephsonนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ตั้งทฤษฎีว่ากระแสตัวนำยิ่งยวดหรือกระแสยิ่งยวด สามารถเจาะทะลุกำแพงฉนวนระหว่างตัวนำยิ่งยวดสองตัวโดยไม่มีการต้านทาน ซึ่งจะทำให้วงจรตัวนำยิ่งยวดสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม เมื่อกระแสซุปเปอร์เกินกระแสวิกฤต แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับจะพัฒนาข้ามทางแยก โดยมีความถี่เข้าใกล้ 500 กิกะเฮิรตซ์ ในปีถัดมาPhilip W. Anderson และ John M. Rowellที่ Bell Labs ได้สร้างวงจรดังกล่าวขึ้นเป็นครั้งแรก ต่อมาได้ตั้งชื่อว่าทางแยก Josephson. ชุมทางโจเซฟสันที่ใช้งานได้จริงในเชิงพาณิชย์จึงกลายเป็นเป้าหมายของนักวิจัยในอุตสาหกรรมจำนวนมาก วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างจากทางแยกของโจเซฟสันจะสามารถสลับที่ความเร็วสูงมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ต้องการสำหรับชิปลอจิกของคอมพิวเตอร์

slot

ห้องทดลอง Dearborn ของ Ford ไม่ได้ติดอยู่กับความเร่าร้อนรอบ ๆ ความเป็นตัวนำยิ่งยวด แต่เหมือนกับห้องปฏิบัติการขององค์กรที่เป็นที่ยอมรับมากขึ้น ห้องปฏิบัติการนี้มีโครงการวิจัยด้านไครโอเจนิกส์และคลื่นสนามแม่เหล็กนิวเคลียร์ ผู้จัดการห้องแล็บประสบความสำเร็จอย่างมากในการสรรหาบุคลากรที่มีความสามารถทางวิทยาศาสตร์ระดับแนวหน้า ซึ่งได้รับทุนที่ดีและค่อนข้างอิสระในการสืบสวน เมื่อถูกถามในเวลาต่อมาว่าการวิจัยด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กเกี่ยวข้องกับรถยนต์อย่างไรเทอร์รี่ โคลสมาชิกคนหนึ่งของกลุ่มแม่เหล็กของฟอร์ดตอบว่า “มันไม่สำคัญเลยจริงๆ” แท้จริงแล้ว ไม่มีนักวิจัยของ Ford คนใดที่รับผิดชอบ SQUID ซึ่งเป็นกลุ่มที่รวมถึง Robert Jaklevic, John Lambe, James Mercereau, Arnold Silver และ James Zimmerman ที่ได้รับความสนใจจากการใช้งานเชิงพาณิชย์

This entry was posted in Slot and tagged , , , , , , , . Bookmark the permalink.