Редактор «Гиктаймс»
660,2
рейтинг
17 августа 2013 в 13:09

Первая квантовая телепортация информации на компьютерном чипе

Физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) впервые в мире осуществили телепортацию квантовых битов информации с одного участка кремниевой микросхемы в другое место на той же микросхеме, на расстояние 6 мм. При этом они ещё и поставили мировой рекорд по количеству телепортированных кубитов: 10 000 в секунду.

Это принципиально важное достижение для создания квантовых компьютеров на кремниевых чипах.



Для эксперимента использовали микросхему размером 7х7 мм, которую охладили до сверхпроводящего состояния, то есть до температуры, близкой к абсолютному нулю. На микросхеме было три цепи (Q1, Q2 и Q3, на диаграмме). Две из них использовали для генерации и отправки кубитов, а третью — для приёма.


Диаграмма квантовой телепортации (ETH Zurich)

Кубитами в данной схеме являются фотоны от электронов в цепях Q2 и Q3. В состоянии сверхпроводимости электроны обмениваются фотонами, а те запутываются друг с другом, то есть приобретают связанное состояние. Исчезновение свойства фотона в точке Q2 с появлением этих свойств у фотона в точке Q3 и считается квантовой телепортацией кубита.

Авторы эксперимента говорят, что их метод квантовой телепортации отличается от аналогичных разработок других учёных своей надёжностью. Если раньше демонстрировалась передача информации с маленькой вероятностью, то новый метод работает гораздо более точно. На диаграмме показаны реальные (синим) и мнимые (красным) реконструированные матрицы плотности для выходного состояния |ψout), измеренные с помощью томографии а) после выбора данных с результатом 00 измерения Белла; б) используя усреднённые считывания в точке Q3 при выполнении полностью предсказуемой телепортации с опережением. Идеально ожидаемые значения обозначены рамками на столбцах. Точность состояния обозначена цифрами в чёрных полях (источник).



Информация о научном эксперименте опубликована в журнале Nature (doi:10.1038/nature12422). Зеркало (спасибо, Nekroman).
Анатолий Ализар @alizar
карма
682,6
рейтинг 660,2
Редактор «Гиктаймс»
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (53)

  • +35
    Вы что-нибудь поняли?)
  • +3
    Я не очень силён в физическом вопросе, поэтому может быть немного нубский вопрос:
    Как я понимаю сейчас частота процессоров упёрлась в потолок, потому что электроны с одной стороны кристалла на другую сторону кристалла бегут со скоростью света и бегать туда-сюда вот как раз и успевают эти гигагерцы раз. (ох, высмеют меня).
    Может ли такая телепортация повысить частоту обычных процессоров, за счёт увеличения скорости распространения сигнала внутри процессора (телепортация же мгновенна)?
    • +10
      Со скоростью света распространяется электромагнитное поле, а электроны движутся с небольшой скоростью
    • +2
      Физический порог частоты ограничен где-то 8-9 Гигагрцами (для процессора размером с Intel 775). Рекорд разгона по частоте сейчас составляет 8199,5 МГц. Однако, при этом стабильность ни к чёрту и как это охлаждать (если оно в простое требует жидкий азот) непонятно.
    • +11
      Не так. Если говорить простым языком, то под квантовой телепортацией понимается не физическое перемещение объекта, а «виртуальное» перемещение информации.
      Две частицы вводятся в «спутанное» состояние — какая-то характеристика частицы 1 ставится в соответствии с такой же характеристикой второй частицы. Но главная фишка тут в том, что мы не знаем в каком состоянии частицы, пока не измерим их. Это характеристика квантового мира — сам факт измерения уже влияет на результат. Поэтому характеристики там определяются не числом, а вероятностью. Т.е. мы можем с какой-то долей вероятности сказать, что частица находится в данной точке пространства. Помните из школьного курса химии такую штуку как «электронное облако» в атоме?
      Так вот, суть вот в чем: разводим обе эти частицы на некоторое расстояние и проводим измерение частицы один и её состояние перестает быть неизвестным. Что произойдет со второй частицей? Она должна как-то узнать и причем мгновенно, что мы измерили первую частицу и состояние станет определенным. Например, мы измерили спин частицы один — он оказался равным(например) 1, тогда вторая частица мгновенно приобретет спин (например) -1. И вот если мы измерим состояние второй частицы — оно окажется соответствующим первой. Даже если эти две частицы будут в разных концах планеты или галактики.
      Вот это и есть квантовая телепортация.
      • 0
        Я к сожалению тоже не силен в квантовой механики, но, так сказать, интересуюсь. И надо отметить, что хотя расстояние не важно для квантовой спутанности, хоть вся вселенная, но при этом не происходит нарушение теории относительности в части скорости распространения информации, она не превысит скорости света, т.к., измерив первую частицу, что бы было возможно измерить вторую, необходимо обычным способом связи передать результаты первого измерения. А вот дальше я не смог найти объяснения «на пальцах» почему есть такое ограничение и в чем ценность этого спутывания вообще.
        • +2
          Передавать результаты измерения не надо, частицы можно измерить практически одновременно. Опять же, если говорить простым языком, факт передачи информации от частицы к частице происходит в момент спутывания. Условно конечно. Т.е. на момент измерения передача произошла как бы в прошлом — в момент спутывания частиц. А т.к. сами частицы перемещали с досветовой скоростью, поэтому и не было факта нарушения теории относительности.
          Т.о. с точки зрения здравого смысла (или привычного порядка вещей), как бы это парадоксально не звучало, передача информации происходит сначала с отрицательной скоростью во времени(это же не запрещено) — назад к моменту спутывания и далее опять вперед к моменту измерения частицы. Вот и получается, что время передачи равно нулю.
          • 0
            Простите, но вы не правы, теория относительности запрещает распространение информации больше скорости света, и данное явление это не нарушает.
            • 0
              Не нарушает или придумайте как с помощью этого передать информацию :)
              • 0
                Возможно на ночь глядя я не достаточно точно сформулировал свою мысль. Да, схлапывание волновой функции у одной частицы, ведет к мгновенному схалыванию и у другой, что неимоверно круто и дичайше доставляет ученых. И да, если представить что между частицами в этот момент проходит какой то сигнал, то вставить туда полезную информацию не получится. Но на первый взгляд можно было бы передавать информацию просто самим фактом схлапывания, но этого тоже не получится сделать, т.к. требуется обычный способ связи.
          • +5
            Позвольте три ламерских вопроса, коли вы в теме.

            1. Можно ли сравнить квантовую телепортацию с мысленным экспериментом «два конверта», суть которого в следующем. Два непрозрачных конверта, в одном черная бумажка, в другом белая. Вы улетаете с одним из конвертов (неизвестно каким) на другой конец солнечной системы (с досветовой скоростью). После я вскрываю свой конверт, и вижу белую бумажку. Это моментально дает мне знание о том, что в вашем конверте бумажка черная. Т.е. словно бы ко мне телепортировалась эта информация.

            2. Так все таки, с учетом всех поправок, тонкостей, нюансов и пр., можно ли с помощью квантовой телепортации передать информацию быстрее скорости света? Хотя бы теоретически, возможно ли создать такой прибор из двух частей, который после нужны приготовлений, пусть даже однократно, позволит мгновенно передать хотя бы один бит информации на другой конец галактики?

            3. Если теория относительности незыблема, и никакой телепортации здесь нет, в чем ценность данного эффекта, и почему его так называют, вводя многих людей в заблуждение?
            • 0
              Вот о некоторых заблуждениях о квантовой телепортации, в том числе о скорости передачи информации.
              • 0
                В тему о квантовой криптографии, ученые нашли способ обратить схлапывание волновой функции www.membrana.ru/particle/1901 Так что перспективы квантовой криптографии очень туманны.
            • +1
              1. Можно ли сравнить квантовую телепортацию с мысленным экспериментом «два конверта», суть которого в следующем. Два непрозрачных конверта, в одном черная бумажка, в другом белая. Вы улетаете с одним из конвертов (неизвестно каким) на другой конец солнечной системы (с досветовой скоростью). После я вскрываю свой конверт, и вижу белую бумажку. Это моментально дает мне знание о том, что в вашем конверте бумажка черная. Т.е. словно бы ко мне телепортировалась эта информация.

              Это моментально дает вам знание о том, что на момент раскладки бумажек в конверты в другой конверт попала черная бумажка, и ничуть не больше. Никаких гарантий, что второй конверт вообще еще существует у вас нет.
          • +1
            «Говоря по-человечески, это аналог того, как если мы запускаем на двух компьютерах в один и тот же момент один и тот же генератор случайных чисел, но результаты последнего умножаем на минус один. Соответственно, куда бы мы не отнесли второй компьютер, по его случайным числам случайные числа первого легко восстановимы. Но, поскольку числа являются случайными, невозможно их осмысленно передавать ни в ту, ни в другую сторону. » — это с лурка
            • 0
              На хабре была статья, как создать истинный генератор случайных чисел. Проблема в том, что любой генератор базируется на математических принципах и есть взаимосвязь между каждым генерируемым числом. Если вы знаете стартовое число и знаете алгоритм генератора, то сможете безошибочно предсказать все генерируемые комбинации.
              У меня был случай, когда мне удалось добиться генерации абсолютно случайных чисел, как оказалось в микросхеме был неправильно запаян транзистор, точнее поставлена другая модель не по документации. Этот же транзистор выдавал и более интересные глюки. :)
              • +2
                > Проблема в том, что любой генератор базируется на математических принципах и есть взаимосвязь между каждым генерируемым числом. Если вы знаете стартовое число и знаете алгоритм генератора, то сможете безошибочно предсказать все генерируемые комбинации.

                Это генераторы псевдослучайных чисел (ГПСЧ), не следует путать их с ГСЧ.
                • 0
                  А я не путаю. В отношении упомянутой темы по отношению предсказанию КТ, я более чем точен.
              • 0
                Интересно, какие?
        • +3
          Есть еще голографическая теория устройства мира, где подразумевается, что на самом деле мы измеряем одну и ту же частицу, которая в нашем измерении выглядит, как две разные частицы.
      • +2
        Нет, это — квантовая сцепленность. Квантовая телепортация происходит с использованием классического канала связи. И смысл её — в полной передачи квантового состояния.

        В двух словах: есть кубит X, который мы хотим передать. Есть вспомогательные сцепленные частицы A и B, A — у нас, B — у получателя. Мы проводим взаимодействие между X и A и получаем некий результат (при этом система из A, B и С коллапсирует, это происходит мгновенно). Этот результат передаём адресату по классическому каналу (в котором информация передаётся с досветовой скоростью). Он использует этот результат для восстановления B в состояние, идентичное исходному квантовому состоянию X.

        Тут используются и квантовая сцепленность, и классический канал связи потому, что состояние кубита нельзя описать так же просто, как и состояние бита.
        • +2
          Кстати, зачем нам нужны такие сложности:

          Система из L сцепленных кубитов может передать 2L классических состояния. Любая операция над системой затронет каждое из этих состояний, при значительном числе сцепленных кубитов квантовый компьютер будет намного быстрее классического на определённых задачах. Вся суть квантовой телепортации — что если у нас, например, есть сцепленная система X, Y, Z, то после телепортации X в B исходный кубит X разрушится, но B окажется сцеплен с Y и Z и вся система будет абсолютно идентична исходной.
      • 0
        Один вопрос — почему это работает?
        • 0
          Тут есть варианты. Лично мне нравится вариант «это работает, не трожь и считай».
          • 0
            Есть только догадки, достоверно точно сказать о причине явления нельзя ничего.
      • 0
        Ага, и вот ярчайший пример этого: Носки Бертлмана
      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
    • 0
      На самом деле гонка скорости современных процессоров еще не уперлась в ограничение, вызванное тем, что длина волны приближается к размерам процессора. До этого еще достаточно далеко.

      Сегодня дело в другом. Внутри процессора есть проводники (неожиданно, да? :) ). По ним проходят электрические сигналы сверхвысокой частоты. Чем выше частота — тем больше энергии с проводников уходит в виде тепла. Именно поэтому мы уже со времен поздних Pentium 4 не наблюдаем роста частоты CPU по мере уменьшения техпроцессов.

      Если бы удалось красиво решить вопрос с этим эффектом — предел в 10GHz был бы преодолен легко.

      P.S. Я не настоящий сварщик, рассказываю по памяти, искал материалы по данному вопросу пару месяцев назад. Почти наверняка к моим словам можно докопаться, но суть должна быть верна.
      • 0
        Не совсем так. Точнее — одна из причин. Вот peshekhonov почти угадал — только проблема не в скорости электронов, а в скорости распространения сигнала — это скорость света. Поэтому, сегодня из-за таких больших тактовых частот и большого числа элементов, может запросто получиться, что фронт в одну часть чипа пришел, а в другую еще нет — поэтому надо либо ждать фронта, либо добавлять еще линии с тактовым сигналом для синхронизации разных частей чипа.
        • 0
          Спасибо, я как раз как-то просто поделил скорость света на гигагерцы (300000 км/сек на 6 ГГц) и получил что за один такт свет преодолевает 5 см, что вполне сравнимо с размерами процессоров.
        • 0
          Да? Тогда как объяснить эти факты:

          1) С экстремальным охлаждением наши 3-4 GHz CPU все-таки гонятся до > 8 GHz.
          2) При уменьшении техпроцесса уменьшается и физический размер кристалла. Где многократное повышение частоты?
          • 0
            Проводник не прямой, там извилины внутри процессора.
            • 0
              Это ответ на какой-то из моих вопросов?
    • 0
      Квантовая телепортация не имеет никакого отношения к движению чего-либо быстрее скорости света. В том числе информации.

      А скорость кремниевых транзисторов, насколько я помню, ограничена, с одной стороны временем заряда базы (чем база меньше, тем меньше ее емкость и время заряда), а с другой стороны токами утечки (чем тоньше слои изоляторов, тем больше утекает).
      • 0
        Из любви к искусству замечу, что предельная частота транзистора всё-таки существенно меньше сдерживает тактовую частоту ИМС, нежели сложность проектирования с учетом скорости распространения сигнала (в частности, синхронизация с блоками памяти). В качестве примера вот материальчик аж от 2001 года с планкой в 300ГГц: ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=936343
        • 0
          Не проблема сделать одиночный терагерцовый транзистор. Проблема сделать у него достаточно низкое тепловыделение. Таким образом, это, скорее, подтверждает мои слова, что скорость ограничена токами утечки. CMOS, вообще, одна из самых медленных технологий интегральных схем, однако она имеет минимальное тепловыделение, что и определило ее использование.

          А предел скорости распространения сигналов на пару порядков выше текущих значений частоты, действительно существенного усложнения пока не вызывает.
  • –9
    Ализар такой Ализар
    • +14
      В каждой статье Ализара найдется человек, который укажет, что автор и такой и сякой и что ему можно, а что нельзя.
      • +2
        Репутация-с…
        • –1
          Береги честь смолоду!!!

          Это про Ализара, да…
      • –1
        Я могу, конечно, заблуждаться, но Ализар иногда имеет качество писать на те темы, в которых нифига не понимает
        • 0
          Вы правы, интересно разобраться в чем-нибудь непонятном. К сожалению, не всегда получается. :(
  • +1
    В статье написано, что резонаторы, оптическая часть и параметрические усилители Джозефсона были охлаждены до 20мК. Интересно как им удалось охладить относительно большой и неоднородный по составу объем вещества до такой температуры?
  • 0
    На прошлой неделе мы вышли наконец за пределы солнечной системы. Сегодня вот первая телепортация. Что на следующей неделе? ОБЧР?

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.