Kvantni računalniki

5.10.2024 5 min branja

Vrtinci so pogost fizikalni pojav. Najdete jih v strukturi galaksij, tornadov in orkanov, pa tudi v skodelici čaja ali vodi, ko odteče iz kopalne kadi. Običajno nastanejo vrtinci, ko zelo hitro tekoči zrak, voda ali druga snov naleti na območje s počasnejšim tokom. Zanje je značilen krožni tok okoli stacionarne osi. Vloga vrtincev je torej premostiti napetost med sosednjimi območji z različnimi hitrostmi tokov. Doslej neznana vrsta vrtincev je bila zdaj odkrita v študiji, objavljeni v Science, ki so jo izvedli dr. Lee Drori, dr. Bankim Chandra Das, dr. Tomer Danino Zohar in dr. Gal Winer iz laboratorija prof. Oferja Firstenberga na Oddelku za fiziko kompleksnih sistemov Weizmannovega inštituta znanosti.

Raziskovalci so se lotili iskanja učinkovitega načina uporabe fotonov za obdelavo podatkov v kvantnih računalnikih in našli nekaj nepričakovanega: ugotovili so, da v redkih primerih, ko dva fotona medsebojno vplivata, ustvarita vrtince. Ne samo, da to odkritje prispeva k temeljnemu razumevanju vrtincev, lahko na koncu prispeva k prvotnemu cilju študije izboljšanja obdelave podatkov v kvantnem računalništvu. Interakcija med fotoni – svetlobnimi delci, ki se prav tako obnašajo kot valovi – je možna samo v prisotnosti snovi, ki služi kot posrednik. V svojem poskusu so raziskovalci prisilili fotone v interakcijo z ustvarjanjem edinstvenega okolja: 10-centimetrsko stekleno celico, ki je bila popolnoma prazna, razen atomov rubidija, ki so bili tako tesno zapakirani v središču posode, da so tvorili majhen, gost plin oblak dolg približno 1 milimeter.

"Ko fotoni prehajajo skozi gost plinski oblak, pošljejo številne atome v elektronsko vzbujena stanja, znana kot Rydbergova stanja," pojasnjuje Firstenberg. "V teh stanjih se eden od elektronov v atomu začne premikati po orbiti, ki je 1000-krat širša od premera nevzbujenega atoma. Ta elektron ustvari električno polje, ki vpliva na ogromno število sosednjih atomov in jih spremeni v nekakšno namišljene 'steklene krogle'. "Podoba steklene krogle odraža dejstvo, da drugi foton, ki je prisoten na območju, ne more prezreti okolja, ki ga je ustvaril prvi foton, in v odgovor spremeni svojo hitrost - kot da bi šel skozi Torej, ko gresta dva fotona relativno blizu drug drugega, se gibljeta z drugačno hitrostjo, kot bi se, če bi vsak potoval sam. In ko se spremeni hitrost fotona, se spremeni tudi položaj vrhov in dolin valovanja, ki ga nosi.

V optimalnem primeru za uporabo fotonov v kvantnem računalništvu postanejo položaji vrhov in dolin popolnoma obrnjeni glede na drugega zaradi vpliva, ki ga imajo fotoni drug na drugega - pojav, znan kot 180-stopinjski fazni premik. Smer raziskave je bila tako edinstvena in izjemna kot poti fotonov v plinskem oblaku. Študija, ki je vključevala tudi dr. Eilona Poema in dr. Alexandera Poddubnyja, se je začela pred osmimi leti in videla, da sta dve generaciji doktorskih študentov šli skozi Firstenbergov laboratorij. Sčasoma je znanstvenikom Weizmanna uspelo ustvariti gost, ultrahladen plinski oblak, z atomi. Kot rezultat so dosegli nekaj brez primere: fotone, ki so bili podvrženi faznemu zamiku za 180 stopinj – in včasih tudi več. Ko je bil plinski oblak najgostejši in so bili fotoni blizu drug drugemu, so imeli najvišjo stopnjo medsebojnega vpliva. Toda ko sta se fotona oddaljila drug od drugega ali je atomska gostota okoli njih padla, je fazni premik oslabel in izginil.
Prevladujoča predpostavka je bila, da bo to oslabitev postopen proces, vendar je raziskovalce čakalo presenečenje: par vrtincev se je razvil, ko sta bila dva fotona na določeni razdalji. V vsakem od teh vrtincev so fotoni opravili 360-stopinjski fazni premik in v njihovem središču fotonov skorajda ni bilo – tako kot v temnem središču, ki ga poznamo iz drugih vrtincev. Če želite razumeti fotonske vrtince, pomislite, kaj se zgodi, ko navpično držano ploščo povlečete skozi vodo. Hitro gibanje vode, ki jo potiska plošča, se sreča s počasnejšim gibanjem okoli nje. To ustvari dva vrtinca, ki se, gledano od zgoraj, zdita, kot da se skupaj premikata vzdolž vodne gladine, v resnici pa sta del tridimenzionalne konfiguracije, znane kot vrtinčni obroč. Potopljeni del plošče ustvari polovico obroča, ki povezuje oba vrtinca, vidna na površini, in ju prisili, da se premikata skupaj. Še en znan primer vrtinčnih obročev so dimni obroči. V zadnjih fazah študije so raziskovalci opazili ta pojav, ko so uvedli tretji foton, kar je ugotovitvam dodalo dodatno dimenzijo. Znanstveniki so odkrili, da sta dva vrtinca, opažena pri merjenju dveh fotonov, del tridimenzionalnega vrtinčnega obroča, ki nastane zaradi medsebojnega vpliva treh fotonov. Te ugotovitve kažejo, kako podobni so na novo odkriti vrtinci tistim, znanim iz drugih okolij.

Vrtinci so morda ukradli predstavo v tej študiji, vendar si raziskovalci še naprej prizadevajo za svoj cilj kvantne obdelave podatkov. Naslednja stopnja študije bo sprožitev fotonov drug v drugega in merjenje faznega premika vsakega fotona posebej. Odvisno od jakosti faznih premikov bi lahko fotone uporabili kot kubite – osnovne enote informacij v kvantnem računalništvu . Za razliko od enot običajnega računalniškega pomnilnika, ki je lahko 0 ali 1, lahko kvantni biti hkrati predstavljajo obseg vrednosti med 0 in 1.