Квантовые достижения

Квантовый твистирующий микроскоп: новый взгляд на квантовые материалы

Научный институт Вейцмана в Израиле разработал новый инструмент, использующий квантовую природу электронов для создания квантовых материалов с беспрецедентными функциональными возможностями. Квантовый крутящий микроскоп (ККТМ) вращает два атомарно тонких слоя материала относительно друг друга, обеспечивая новый взгляд на самую фундаментальную квантовую природу электронов. Команда смогла непосредственно наблюдать квантовые электронные волны, что ранее было затруднительно из-за малых размеров. QTM содержит плоский слой квантового материала, который заменяет атомарно острый наконечник сканирующего туннельного микроскопа. При контакте этого слоя с поверхностью интересующего образца образуется двумерный интерфейс, через который электроны могут туннелировать во многих различных местах. Интерференция позволяет электрону туннелировать только в том случае, если его волновые функции по обе стороны интерфейса точно совпадают. QTM позволяет непрерывно скручивать любые два материала относительно друг друга, создавая бесконечный ряд новых материалов, и одновременно превращается в очень мощный микроскоп.



Квантовый мир поражает тем, что частица, такая как электрон, также является волной, то есть она может существовать во многих местах одновременно. QTM предполагает «скручивание» или вращение двух атомарно тонких слоев материала относительно друг друга, создавая новые квантовые материалы и одновременно наблюдая за самой фундаментальной квантовой природой их электронов. Помещение двух слоев графена, кристаллических листов углерода толщиной в один атом, один на другой с небольшим углом относительного скручивания приводит к созданию «сэндвича» с неожиданными новыми свойствами. Угол закручивания имеет решающее значение для управления поведением электронов, и его изменение на одну десятую градуса может превратить материал из экзотического сверхпроводника в нетрадиционный изолятор.



Первоначальной мотивацией Института Вейцмана для создания QTM было решение проблемы закручивания двух слоев на новый угол, что является долгим и утомительным процессом. Команда обнаружила, что машину можно превратить в мощный микроскоп, способный видеть квантовые электронные волны в невообразимых ранее формах. Это возможно путем одновременного обнаружения одного и того же электрона в разных местах, подобно знаменитому эксперименту с двумя щелями, который был использован сто лет назад для доказательства того, что электроны в квантовой механике имеют волновую природу.



QTM заменяет атомарно острый наконечник сканирующего туннельного микроскопа на наконечник, содержащий плоский слой квантового материала, например, один слой графена. Когда этот слой вводится в контакт с поверхностью интересующего образца, он образует двумерный интерфейс, через который электроны могут туннелировать во многих различных местах. Квантово-механически они туннелируют во всех местах одновременно, и события туннелирования в разных местах интерферируют друг с другом. Эта интерференция позволяет электрону туннелировать только в том случае, если его волновые функции по обе стороны интерфейса точно совпадают.



В заключение следует отметить, что квантовый микроскоп – это новый инструмент, разработанный в Институте науки Вейцмана, который использует квантовую природу электронов для создания квантовых материалов с беспрецедентными функциональными возможностями. QTM вращает два атомарно тонких слоя материала относительно друг друга, создавая новые квантовые материалы и одновременно наблюдая за самой фундаментальной квантовой природой их электронов. Машина также может быть превращена в мощный микроскоп, способный непосредственно наблюдать квантовые электронные волны, обеспечивая новый взгляд на квантовый мир.

Weizmann Institute of Science

Это интересно!

Да будет (управляемый) свет

Ожидается, что квантовые вычисления в самом ближайшем будущем произведут революцию в вычислительной технике: появятся новые подходы к поиску в базах данных, системы искусственного интеллекта, симуляции и многое другое. Но для достижения таких новых приложений квантовых технологий необходимы фотонные интегральные схемы, которые могут эффективно управлять фотонными квантовыми состояниями – так называемыми кубитами. Физики из Центра имени Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR), Технического университета Дрездена и Института кристаллов Лейбница (IKZ) впервые продемонстрировали контролируемое создание однофотонных эмиттеров в кремнии на наноуровне, о чем они сообщают в журнале Nature Communications. Это достижение может проложить путь к новой эре фотонных квантовых технологий с технологией изготовления, совместимой с очень масштабной интеграцией.

Сила фотонных интегральных схем (ФИС)

Фотонные интегральные схемы, или ФИС, – это революционная технология, использующая частицы света, более известные как фотоны, в отличие от электронов, которые работают в электронных интегральных схемах. Основное различие между ними заключается в том, что фотонные интегральные схемы обеспечивают функции для информационных сигналов, наложенных на оптические длины волн, обычно в ближней инфракрасной области спектра. Благодаря множеству интегрированных фотонных компонентов, эти PIC могут генерировать, направлять, обрабатывать и обнаруживать свет на одном чипе. Эта модальность способна сыграть ключевую роль в будущих технологиях, таких как квантовые вычисления. Поэтому ожидается, что ПОС сыграют решающую роль в разработке новых приложений квантовых технологий.

От случайного к управляемому режиму: ключ к раскрытию полного потенциала PIC

Монолитная интеграция однофотонных источников в управляемом режиме обеспечит ресурсосберегающий путь для реализации миллионов фотонных кубитов в ПОС. Для выполнения протоколов квантовых вычислений эти фотоны должны быть неразличимы. Существующий метод изготовления препятствует совместимости этой многообещающей концепции с современной полупроводниковой технологией. Однако в результате значительного прорыва исследователи смогли создать одиночные фотоны на кремниевой пластине контролируемым и масштабируемым способом. Сфокусированные ионные пучки из источников ионов жидкого металлического сплава используются для размещения однофотонных эмиттеров в желаемых местах на пластине, получая при этом высокий выход создания и высокое спектральное качество.

В дополнение к этому прорыву ученые подвергли те же однофотонные эмиттеры строгой программе тестирования материалов. После нескольких циклов охлаждения и разогрева они не наблюдали ухудшения оптических свойств. Эти результаты отвечают предпосылкам, необходимым для последующего массового производства.

Будущее PICs в квантовой фотонике

Реализация контролируемого изготовления однофотонных эмиттеров в кремнии делает их весьма перспективным кандидатом для фотонных квантовых технологий, причем способ изготовления совместим с очень масштабной интеграцией. Эти однофотонные излучатели теперь технологически готовы к производству на полупроводниковых заводах и включению в существующую телекоммуникационную инфраструктуру.

В заключение следует отметить, что PICs – это перспективная технология, которая может произвести революцию во многих областях, включая квантовые вычисления. Однако, чтобы полностью раскрыть их потенциал, однофотонные излучатели должны быть интегрированы контролируемым образом. Недавний прорыв в контролируемом создании однофотонных эмиттеров в кремнии на наноуровне открывает перспективный путь к реализации фотонных квантовых технологий в больших масштабах.

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Заря глобальной квантовой информационной сети

Концепция создания всемирной квантовой информационной сети существует уже около 25 лет. Идея зародилась благодаря физикам-теоретикам из Университета Инсбрука, которые впервые представили концепцию передачи квантовой информации на большие расстояния с помощью квантовых повторителей. Сегодня новая группа исследователей из того же университета добилась значительных успехов в этой области, разработав узел квантового повторителя для стандартной длины волны телекоммуникационной сети. Они успешно передают квантовую информацию на десятки километров, что знаменует собой необычайный скачок в технологиях квантовой связи.

Понимание квантовых сетей и их потенциала

Чтобы в полной мере оценить этот прорыв, необходимо понять принцип и потенциал квантовых сетей. По сути, квантовые сети соединяют квантовые процессоры или квантовые датчики. Такое соединение облегчает безопасную, защищенную от прослушивания связь и развитие высокопроизводительных распределенных сенсорных сетей. Квантовая информация передается между узлами сети с помощью фотонов, проходящих через оптические волноводы.

Проблемы передачи квантовой информации на большие расстояния

Хотя эти сети обладают огромным потенциалом, передача квантовой информации на большие расстояния представляет собой серьезную проблему. С увеличением расстояния резко возрастает вероятность потери фотонов. Это очень важный вопрос, поскольку квантовая информация не может быть воспроизведена и усилена, как классические данные. Более двух десятилетий назад Ханс Бригель, Вольфганг Дюр, Игнасио Цирак и Петер Цоллер, работавшие в то время в Университете Инсбрука, предложили решение – квантовый повторитель.

Сложная конструкция квантовых повторителей

Квантовые повторители работают благодаря сложной архитектуре, включающей источники запутывания света и материи и системы памяти. Эти компоненты используются для генерации запутанности в независимых сетевых каналах. Затем процесс, известный как обмен запутанностью, соединяет эти запутанные пары, позволяя распространять запутанность на большие расстояния. Этот новаторский проект стал основой для последующих достижений в этой области.

Пионерский успех квантовых повторителей

Группа квантовых физиков под руководством Бена Лэньона с кафедры экспериментальной физики Инсбрукского университета добилась значительных успехов в реализации концепции квантового повторителя. Они разработали основные части квантового повторителя – полностью функциональный сетевой узел, созданный из двух систем единой материи. Этот узел способен обеспечить создание запутанности с помощью фотона на стандартной частоте телекоммуникационной сети и выполнять операции по обмену запутанностью.

Более пристальный взгляд на квантовый узел-ретранслятор

Узел повторителя состоит из двух ионов кальция, пойманных в ионную ловушку внутри оптического резонатора, наряду с преобразованием одного фотона в телекоммуникационную длину волны. Используя эту установку, ученые успешно передали квантовую информацию по оптическому волокну длиной 50 километров. Квантовый повторитель был стратегически расположен на полпути между начальной и конечной точкой. Это достижение открыло дверь к новым возможностям в сфере передачи квантовой информации.

Будущее передачи квантовой информации

Исследователи не остановились на достигнутом, но также спрогнозировали возможные усовершенствования этой конструкции. Их расчеты показали, что при определенных усовершенствованиях может быть достигнута передача информации на расстояние более 800 километров. Это позволило бы установить квантовую связь между Инсбруком и Веной. Эти результаты представляют многообещающее будущее для передачи квантовой информации, приближая создание глобальной квантовой информационной сети.

 

Принадлежность к Альянсу квантового интернета

Команда Лэньона является частью международной инициативы, известной как Альянс квантового интернета, который входит в более широкий проект Европейского союза Quantum Flagship. Этот альянс представляет собой коллективные усилия квантовых ученых, исследователей и организаций со всего мира, работающих над общей целью – ускорить развитие квантовых технологий и способствовать их интеграции в общество. Это коллективное стремление и значительное финансирование жизненно важны для продвижения вперед этих революционных исследований.

Изучение концепции глобальной квантовой информационной сети

ари исследования вперед.
Концепция глобальной квантовой информационной сети – это не просто плод научного воображения, а технологическое достижение, к которому мир неуклонно движется. Предполагается, что эта глобальная сеть соединит различные уголки мира, обеспечивая защищенную от прослушивания связь и способствуя созданию высокопроизводительных распределенных сенсорных сетей. Последствия этого обширны: от повышения безопасности связи и вычислительных возможностей до продвижения научных исследований и разработок.

Влияние на телекоммуникационные сети

Включение узла квантового ретранслятора в стандартную длину волны телекоммуникационных сетей является важным достижением. Оно не только подтверждает потенциал квантовых технологий для интеграции с существующими инфраструктурами, но и предсказывает трансформационное будущее для телекоммуникаций. Этот прорыв также подчеркивает жизнеспособность передачи квантовой информации на большие расстояния, что является значительным шагом в реализации квантового интернета.

Использование квантовых технологий для безопасной связи

В эпоху, когда утечки данных и киберугрозы становятся все более распространенными, обещание квантовых сетей для защищенной коммуникации является бесценным. Эти сети используют принципы квантовой механики, в частности квантовую запутанность, для обеспечения безопасной передачи данных. Нарушение любой части передачи данных нарушит запутанность, мгновенно оповещая систему о возможном подслушивании.

Перспективы высокопроизводительных распределенных сенсорных сетей

Помимо безопасной связи, квантовые сети также имеют большие перспективы для высокопроизводительных распределенных сенсорных сетей. Эти сети могут произвести революцию во множестве отраслей, от мониторинга окружающей среды и здравоохранения до национальной безопасности и освоения космоса. Используя свойства, присущие квантовой механике, такие сенсорные сети могут измерять переменные с беспрецедентной точностью, облегчая анализ данных в реальном времени в больших масштабах.

Раскрытие потенциала квантовых повторителей

Создание квантового повторителя – ранее теоретической концепции – предвещает новую эру в квантовых технологиях. Будучи важнейшим компонентом квантовой передачи информации на большие расстояния, квантовые повторители могут революционизировать способы передачи и получения данных, прокладывая путь к безопасному и эффективному квантовому интернету. Более того, потенциал передачи квантовой информации на расстояние более 800 километров открывает огромные возможности для расширения квантовой информационной сети.

Будущие перспективы передачи квантовой информации

Текущие результаты и продолжающиеся исследования в области передачи квантовой информации дают оптимистичный прогноз на будущее квантовых технологий. Возможность передачи квантовой информации на расстояние 800 километров будет не только технологическим чудом, но и скачком к созданию глобальной квантовой информационной сети.

Заключение

Квантовая революция идет полным ходом. Прогресс, достигнутый командой Университета Инсбрука в создании узла квантового ретранслятора и передаче квантовой информации на десятки километров, подтверждает концепцию глобальной квантовой информационной сети. Потенциальные последствия этой технологии, от безопасной связи до высокопроизводительных распределенных сенсорных сетей, являются преобразующими. По мере продвижения в квантовую эру, объединение исследований, финансирования и глобального сотрудничества, примером которого является Альянс квантового интернета, будет продолжать продвигать этот рубеж науки и техники к беспрецедентным горизонтам.

University of Innsbruck

Квантовые технологии: Новый рассвет для моделирования сложных систем

Сложные системы окружают нас повсюду, органично вплетаясь в нашу повседневную рутину и процессы принятия решений. Эти системы, от колебаний на финансовых рынках до тщательно продуманных транспортных сетей, определяют значительную часть нашей повседневной жизни. Однако точное прогнозирование их поведения и соответствующее реагирование требуют хранения и обработки огромных объемов информации. Эта необходимость представляет собой серьезную проблему для современных моделей искусственного интеллекта, которым для оптимальной работы требуется все больший объем памяти. Растущая потребность в памяти в конечном итоге становится узким местом, заставляя искать нежелательный компромисс между стоимостью памяти и точностью прогнозирования.

Группа исследователей из престижных институтов мира, включая Манчестерский университет, Университет науки и технологий Китая (USTC), Центр квантовых технологий (CQT) Национального университета Сингапура и Наньянский технологический университет (NTU), предложила радикальное решение. Их идея? Использовать неиспользованный потенциал квантовых технологий, чтобы компенсировать компромисс между стоимостью памяти и точностью.

Использование квантовых технологий для моделирования сложных систем

С помощью квантовых технологий исследователям удалось значительно снизить требования к памяти для моделирования сложных систем. Применяя квантовые модели, они смогли смоделировать целый ряд сложных процессов, используя всего один кубит памяти – фундаментальную единицу квантовой информации.

В отличие от обычных моделей, которые требуют увеличения объема памяти по мере добавления данных о прошлых событиях, квантовые модели могут обходиться одним кубитом памяти, что делает их значительно более эффективными. Эта разработка, недавно опубликованная в уважаемом журнале Nature Communications, знаменует собой важнейшее достижение в применении квантовых технологий для моделирования сложных систем.

Меньше – значит больше: Подход к квантовой памяти

Руководитель проекта, доктор Томас Эллиотт, научный сотрудник Манчестерского университета имени Дамы Кэтлин Оллереншоу, предлагает ценный взгляд на этот революционный подход. По словам доктора Эллиотта, проект отклоняется от традиционной направленности квантовых преимуществ, которая вращается вокруг способности квантовых компьютеров ускорять вычисления. Вместо этого, подход команды направлен на использование квантовых компьютеров для минимизации требований к памяти для вычислений.

При таком подходе использование меньшего количества кубитов для памяти не только приближает методику к практическому применению в квантовых технологиях ближайшего будущего, но и высвобождает дополнительные кубиты. Эти дополнительные кубиты могут служить защитой от ошибок в квантовых симуляторах, повышая надежность всей системы.

Опираясь на теорию: Реализация квантовых моделей

Этот проект основывается на более раннем теоретическом предложении доктора Эллиотта и сингапурской команды. Чтобы оценить практичность подхода, они сотрудничали с USTC, который использовал фотонный квантовый симулятор для реализации предложенных квантовых моделей.

Примечательно, что команда добилась превосходной точности по сравнению с любым классическим симулятором, оснащенным таким же объемом памяти. Более того, подход оказался адаптируемым и может быть модифицирован для моделирования других сложных процессов с различным поведением.

Квантовая фотоника: Уменьшение ошибок в квантовых вычислениях

Доктор Ву Канг-Да, постдокторант USTC и первый автор исследования, подчеркнул превосходство квантовой фотоники. Эта технология, по словам доктора Ву, является одной из наименее подверженных ошибкам архитектур, предложенных для квантовых вычислений, особенно в небольших масштабах. Более того, поскольку квантовый симулятор настроен на моделирование конкретного процесса, он позволяет точно настраивать оптические компоненты и приводит к меньшим ошибкам по сравнению с нынешними универсальными квантовыми компьютерами.

Реализация квантового стохастического симулятора: Пионерский подвиг

Доктор Ченгран Янг, научный сотрудник CQT и еще один совместный первый автор исследования, объявил о важнейшей вехе в этой области. Он сообщил, что данное исследование является первой реализацией квантового стохастического симулятора, который убедительно демонстрирует распространение информации через память во времени. Более того, он обеспечивает доказательство большей точности, чем любой классический симулятор с таким же объемом памяти.

Дорога вперед: Исследование возможностей в квантовом моделировании

Исследователи утверждают, что эта фундаментальная работа является трамплином для будущих исследований. Эти исследования могут включать оценку преимуществ уменьшения тепловыделения в квантовом моделировании по сравнению с классическими моделями.

Более того, работа исследователей может иметь далеко идущие последствия в различных областях, таких как финансовое моделирование, анализ сигналов и нейронные сети с квантовым усилением.

Что касается дальнейших шагов, то планируется глубже изучить эти связи и расширить их работу до более высокоразмерной квантовой памяти. Это многообещающее направление исследований открывает захватывающие возможности для прорыва в эффективном моделировании сложных систем.

Заключение

В поисках эффективного моделирования сложных систем ученые все чаще обращаются к квантовым технологиям как средству преодоления ограничений памяти. Применяя эти технологии, они могут разрабатывать модели, эффективные с точки зрения памяти, для которых требуется всего один кубит памяти. Этот революционный подход способен резко сократить затраты на память, повысить точность и практичность моделирования сложных систем. По мере продвижения к будущему, в котором квантовые технологии станут более распространенными, мы можем ожидать значительного прогресса в области моделирования сложных систем и их применения в нашей повседневной жизни.

University of Manchester