Wie eine Reihe von Riesenatomen Quanten bringen könnte Computer zu Physiklabors

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Das Riesenatom versteckt seine Nachbarn unter einem Einelektronenmantel Wenn es um die Quantenmechanik geht, versuche ich, das reine Schreiben zu vermeiden theoretische Ergebnisse. Dies gilt insbesondere für Quantencomputer, wo in der nicht allzu fernen Vergangenheit jeder Forscher setzen würde ihre Namen zu Papieren beschreiben einen neuen Weg, um ein Quantum zu machen Computer. Dann fingen die Leute an, mit der realen Sache zu spielen, und Plötzlich gab es auf der theoretischen Seite weniger EIN nziehungspunkte. Aber hin und wieder Wieder lässt mich eine dieser Ideen meine Hände auf der Tastatur zerdrücken.

Heute sind es Rydberg-Atome und wie man einen Quantencomputer herstellt von ihnen. Es ist ein bisschen weit hergeholt, aber angesichts der Details der Berechnungen, es ist wahrscheinlich etwas, das in ein paar auftauchen wird von Jahren. Und wenn es auftaucht, wird es nicht wie früher sein Quantencomputer, die mit ein oder zwei Qubits zu testen begannen. ADer Rydberg-Computer sollte bei 10-12 Qubits starten.

Schon wieder Rydberg-Atome?

Ich habe kürzlich über eine Geschichte darüber berichtet, wie Atome gefangen werden können innerhalb eines Rydberg-Atoms. In diesem Artikel habe ich beschrieben, was für ein Rydberg Atom ist. Lassen Sie mich hier wiederholen:

Ein Rydberg – Atom ist ein gewöhnliches Atom mit einem Elektron, das eine sehr viel Energie. Negativ geladene Elektronen werden von einem Atom, weil sie an den positiv geladenen Kern angezogen werden. Die gefangenen Elektronen sind alle in der Reihenfolge ihrer Energie gestapelt Ignorieren Sie alle anderen Eigenschaften, die den Stapel vergrößern interessant). Dieser Stapel ist im Grunde für alle Atome gleich: dort Es gibt unendlich viele mögliche Energien, die alle noch vorhanden sind unter Null und eine Energie über Null zeigt an, dass das Elektron ist nicht mehr an das Atom gebunden. Der Trick ist das, als die Lücke zwischen Jede Schicht im Stapel wird immer kleiner, je mehr Energie du hast.

Ein Laser mit genau der richtigen Farbe kann ein Elektron anregen irgendwo in der Nähe des Bodens (also vielleicht um die fünfte Schicht in der Stapel) bis zu so etwas wie der 30. bis 150. Schicht in der Stapel. Diese Elektronen sind kaum an das Atom gebunden. Ihre Energie ist so hoch, dass sie kreisförmige Bahnen haben, fast wie Planeten, bei eine große Entfernung vom Kern. Diese Rydberg-Atome können a Radius so groß wie ein Mikrometer, ungefähr tausendmal größer als ihre normale Größe.

Ein Rydberg-Atom ist also wie ein gewöhnliches Atom, aber es hat eines Elektron mit genug Energie, um es eher im Umlauf zu halten großer Abstand vom Kern. Wir warnen normalerweise die Leute davor Elektronen kreisen nicht wie Planeten um die Sonne, sondern wie Elektronen um die Sonne Diese sehr hohen Energien sind ungefähr so ​​nah, wie Sie zu einem kommen werden Planetenanalogie.

Verbotener Übergang

Ein Rydberg-Atom in ein Qubit umwandeln (ein Qubit ist ein Stück Quanten Information), wählen Sie zwei dieser energetischen Zustände als logische Zustände und logische Null. In diesem Fall wählten die Forscher die 48. und 50. Zustände, weil es für ein Rydberg-Atom so gut wie unmöglich ist im 50. Zustand etwas Energie verlieren und in den 48. zerfallen Zustand. Ich werde nicht darauf eingehen, wie das funktioniert, aber es reicht aus, das zu sagen Um vom 50. in den 48. Zustand zu gelangen, muss mehr als geändert werden nur die Energie des Elektrons, es kann also nicht durch Emittieren von oder erfolgen Absorbieren eines einzelnen Lichtphotons.

Ein großes Problem mit den Rydberg-Staaten ist, dass sie gerne aufgeben ihre Energie durch Aussenden von Mikrowellen, wenn sie sich den Stapel hinunterbewegen mit günstigeren Übergängen. Das haben die Forscher gezeigt kann durch Platzieren der Atome in einem Kondensator verhindert werden. Das leitende Grenzen, die durch zwei metallische Platten erzeugt werden, bestimmen genau welche Wellenlängen der Mikrowelle vom Atom ausgesendet werden können. Wenn Sie den Plattenabstand richtig wählen, findet das Atom alle Routen aus den 50. und 48. Bundesstaaten sind gesperrt, weil sie nicht ausstrahlen können die richtige Frequenz der Strahlung.

Das nächste Problem ist, dass Rydberg-Atome nicht still sitzen. Stattdessen, Sie müssen gefangen sein. In diesem Fall denken die Forscher, dass Diese Aufgabe können sie mit Laserstrahlen lösen, die einen Donut haben Profil – dunkel in der Mitte mit einem hellen Ring. Rydberg-Atome sind a bisschen wie Kakerlaken: sie meiden das Licht. Also der Laser (eigentlich Ein Paar Laserstrahlen drückt die Atome in gleichmäßige Abstände dunkle Flecken, die zu einer Reihe von Rydberg-Atomen mit Abstand führen das wird vom laser gesteuert.

Damit haben wir die Werkzeuge, um Qubits zu erstellen und sicherzustellen dass sie nicht weglaufen. Um etwas zu berechnen, müssen die Qubits in der Lage sein, Operationen aneinander durchzuführen, mit Ausnahme der Forscher Planen Sie nicht, diskrete Tore wie ein klassisches Digital zu erstellen Computer. Stattdessen denken sie eher analog Computers. In diesem Fall wollen die Forscher die Qubits sein ständig miteinander gekoppelt. Wenn Sie es richtig arrangieren, wird die Der Zustand von Qubit 1 beeinflusst den Zustand von Qubit 2 und umgekehrt umgekehrt.

Aber Sie müssen es richtig arrangieren: Die Kopplungsstärke muss unter Kontrolle sein, so dass es von stark zu schwach gestimmt werden kann.

Es stellt sich heraus, dass die Natur der Rydberg-Atome Sie gibt dies kostenlos. Die direkte Ich-Fühle-Deine-Ladung-Kraft fällt mit ab Abstand, während eine weniger direkte Kopplung, die vom Spin abhängt Das Elektron hängt sowohl von der Entfernung als auch von der angelegten Spannung ab der Kondensator. Diese beiden Regler reichen aus, um ein Analog zu vervollständigen Quantencomputer basierend auf gefangenen Rydberg-Atomen.

Greifen Sie zu – es ist nur eine Theorie

Wenn das, was ich beschrieben habe, alles wäre, was es gibt, wäre dies eine nette Idee aber nichts mehr. Rydberg-Atome sind auch relativ einfach zu Modell jedoch; Sobald Sie wissen, wie sich ein einzelnes Rydberg-Atom verhält, Sie können auch eine Reihe von ihnen modellieren. Die Forscher taten dies an Überprüfen Sie, ob der Kondensator den Rydberg stoppen würde Atome vor dem Verfall, ob das Einfangen funktionieren würde und ob Die benachbarten Atome konnten auf die Art und Weise miteinander sprechen, wie die Forscher erwartet.

Basierend auf diesem Modell scheint es, dass nicht nur die Idee wert ist verfolgen, aber es kann sogar funktionieren. Und es ist nicht zu weit weg. Es ist bereits möglich, einzelne Atome in einem optischen Gitter einzufangen. Es Es sollte möglich sein, eine Kombination aus Laser und Mikrowelle zu verwenden Quellen, um die eingefangenen Atome anzuregen, um den gewünschten Rydberg zu bilden Zustände. Die Schwierigkeit besteht meines Erachtens darin, dass man alles tun muss dies in dem engen Raum zwischen zwei Kondensatorplatten.

Ich erwarte Berichte über gefangene Rydberg – Atome vor dem Sommer und dem erste analoge Quantencomputerexperimente vor dem Ende des Jahr.

Im Gegensatz zu den meisten aktuellen Versuchen des Quantencomputers ist diese Art von Gerät wird auch dann nützlich, wenn insgesamt weniger als 20 Qubits vorhanden sind. Das liegt daran, dass ein analoger Quantencomputer wie dieser meistens sein wird verwendet, um physikalische Probleme zu verstehen, die bereits schwierig sind vergleichsweise kleiner Maßstab. Zwanzig Qubits bringen Sie schon weiter Was aktuelle klassische Computer können und in das Reich der Nützlichkeit.

Physical Review X, 2018, DOI: 10.1103 / PhysRevX.8.011032

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