Anonim

All-optisk transistor kan være et stort spring til kvantcomputering

Quantum Computing

Dario Borghino

9. juli 2013

2 billeder

En nyudviklet optisk transistor kunne være nøglen til højere ydelse CPU'er og et spring frem mod en praktisk kvantecomputer (Billede: MIT)

Forskere ved MIT, Harvard og Videnskabsuniversitetet har udviklet en optisk koncept for koncept, der kan styres af en enkelt foton og svarer til en transistor i et elektronisk kredsløb. Forskuddet kan forbedre strømforbruget i standardcomputere og have vigtige konsekvenser for udviklingen af ​​en effektiv kvantecomputer.

Chipproducenterne skubber konstant for at reducere strømforbruget til et minimum, men de skal stadig imødegå de begrænsninger, der kommer med at håndtere elektronikkens verden. Specielt er den strøm, der forbruges af en CPU, stort set proportional med dens frekvens og spidsen af ​​dens spænding, med en god del af den forbrugte energi spredt som varme.

En lovende løsning kunne være at bygge kredsløb, der bruger fotoner i stedet for elektroner til at gemme og uddybe data. Dette ville drastisk forbedre strømforbruget, fordi en foton er nok til at gemme en smule information og aktivere en transistor. En all-optisk computer kunne også nå langt højere dataoverførselshastigheder (tænk fiberoptik).

Så hvorfor har vi ikke bygget optiske chips endnu? Problemet er, at i modsætning til elektrisk ladede partikler ikke fotoner nemt interagerer med hinanden: to fotoner, der kolliderer i et vakuum, vil simpelthen passere hinanden, uskadt.

Hvordan det virker

Selv om dette ikke på nogen måde er den første optiske transistor nogensinde oprettet, er den her foreslået her muligvis meget kraftigere, fordi den kan styres af en enkelt foton.

Denne optiske transistor består af afkølede cæsiumatomer fanget inde i en optisk resonator (billede: MIT)

Kernen i den optiske transistor er lavet af to spejle. Mellem dem ligger et forseglet hulrum indeholdende en gas af superkølet cæsiumatomer. Spejlet er indstillet i en afstand, som er nøjagtigt kalibreret til lysets bølgelængde, således at de fungerer som en optisk resonator, der kan hoppe lys frem og tilbage mellem dem, mens de bevarer sin fase.

Lys kan beskrives som enten en partikel eller en elektromagnetisk bølge. I sin partikelbeskrivelse skal fotoner simpelthen sprænge det første spejl og vende tilbage til kilden; I overensstemmelse med bølgebeskrivelsen går imidlertid lyset faktisk gennem det første spejl og går ind i resonatoren, hopper frem og tilbage og til sidst skaber et stort elektromagnetisk felt, der afbryder virkningerne af de to spejle, så fotoner kan passere igennem.

Men når en enkelt "gate photon " fyres ind i resonatoren og rammer cæsiumatomer i en anden vinkel end alle de andre, ændrer dette kavitets fysik i en sådan grad, at kun omkring 20 procent af lyset nu kan komme igennem resonatoren.

I praksis virker anordningen som en lyskontakt, der selv styres af et lyssignal ( "gate photon ") på samme måde som i en standard transistor kan en "portspænding" styre strømmen strømmer mellem apparatets to ender.

Opbygning af en optisk kvantecomputer

Som allerede nævnt kunne optisk databehandling bringe os meget hurtigere og mere strømbevidste CPU'er i de kommende år; Men vigtigere som de måtte være, de mere interessante applikationer er ikke med traditionelle computerarkitekturer, men snarere inden for kvantemetode.

Quantum computing, der stadig er i sin barndom, udnytter kvante mekanismernes quirks til at skabe mere magtfulde computere. En af disse egenskaber er superposition, den kvantitative bit ( "qubit " for modsat) for at antage mere end én værdi - "0 " og "1 " - på samme tid.

Opretholdelse af superposition er afgørende, men det er meget udfordrende, fordi de fleste atomer har en tendens til at interagere med hinanden og ødelægge deres superpositionstilstand (tidlige kvantecomputermodeller, der anvendes ioner fanget i elektriske felter, med de bedste resultater i bedste fald). Men fotoner gør det ikke let at interagere med hinanden, hvilket betyder, at overlejring ville være meget lettere at gemme sikkert i en optisk kvantecomputer.

Quantum computing - hvad er det til?

At kunne skifte en optisk port med en enkelt foton åbner mulighed for at oprette arrays af optiske kredsløb, som alle er i superposition. "Hvis gate-foton er der, bliver lyset reflekteret, hvis gate-fotonet ikke er der, bliver lyset overført, " Vladan Vuletić hos MIT, der ledede arbejdet, forklarer. "Så hvis du skulle lægge en superpositionstilstand for fotonet der og ikke være der, ville du ende med en makroskopisk superpositionstilstand for det lys, der transmitteres og reflekteres. "

Et lille antal qubits i superposition stater kan bære en enorm mængde information: mens en qubit alene ville bære kun to mulige stater, vil tallet vokse eksponentielt med antallet af fotoner: ti fotoner ville bære 2 10 eller 1, 024 bit information ; tredive fotoner ville bære en milliard bits; og et array på tusind bits ville bære 10 300 bits - mere end der er atomer i universet. En række optiske kredsløb ville tillade os at beregne disse data på én gang.

En kvantecomputer bør imidlertid ikke tænkes på en simpel parallel klassisk computer, der kan bruteforce sin vej ind i et vilkårligt komplekst problem. Evnen til at beregne alle mulige resultater på én gang, som er kendt som kvantparallelisme, kommer med nogle ulemper.

Faktisk, mens kvante parallelisme betyder, at en kvantecomputer teoretisk kan beregne, siger 1 milliard resultater i kun 30 iterationer, dikterer kvantemekanikernes lov, at adgang til et af resultaterne automatisk ødelægger alle andre stater, sammenfaldende dem i den oprindelige. Vi kan heller ikke vælge præcis, hvilket resultat der er adgang til: Dette er dikteret ved en tilfældighed alene.

Ikke desto mindre kan computerforskere stadig udnytte quirksen af ​​kvantemekanik til at skabe mere effektive algoritmer, såsom at fakturere et stort antal, finde et emne på en stor liste eller endda bryde RSA-kryptering meget hurtigere end det ville være muligt med en standardcomputer. For de fleste applikationer menes det dog, at præstationsgevinsten, hvis en findes, vil være begrænset.

Hvor quantum computing er sikker på at skinne, er imidlertid modellering af kvantesystemer, med utallige anvendelser inden for teoretisk fysik, kemi, materialevidenskab og nanoteknologi blandt andre felter.

Forskningen blev beskrevet i et papir udgivet på tidsskriftet Science .

Kilder: MIT, Carnegie Mellon (YouTube)

Denne optiske transistor består af afkølede cæsiumatomer fanget inde i en optisk resonator (billede: MIT)

En nyudviklet optisk transistor kunne være nøglen til højere ydelse CPU'er og et spring frem mod en praktisk kvantecomputer (Billede: MIT)

Anbefalet Redaktørens Valg