Super-Computadores Quânticos Perdem Coerência Por Quantidades de Bits

Visão do Fluxo Quântico

Escrito por:John Toon 

Os computadores quânticos prometem realizar determinados tipos de operações muito mais rapidamente que computadores digitais convencionais.Mas muitos desafios devem ser abordados antes de estas máquinas ultra-rápidas tornam-se disponíveis, entre eles, a perda de ordem nos sistemas - um problema conhecido como decoerência quântica - que piora à medida que o número de bits em um quantum computador aumenta.

Uma solução proposta é dividir a computação entre vários pequenos computadores quânticos que iriam trabalhar juntos tanto quanto supercomputadores multi-core de hoje se unem para enfrentar operações digitais grandes. Os computadores individuais em um sistema desse tipo poderia comunicar informação quântica usando Bose-Einstein (BEC) - nuvens de átomos ultra-frios que existem em todos exatamente o mesmo estado quântico. A abordagem poderia resolver o problema decoherence, reduzindo o número de bits necessários para um único computador.

Agora, uma equipe de físicos do Instituto de Tecnologia da Geórgia analisou como essa comunicação Bose-Einstein pode funcionar. Os pesquisadores determinaram a quantidade de tempo necessário para a informação quântica para se propagar através de sua BEC, essencialmente, que institui a velocidade máxima em que esses computadores quânticos poderiam se comunicar.

"O que fizemos neste estudo foi olhada em como esse tipo de informação quântica se propagar", disse Chandra Raman , um professor adjunto no da Georgia Tech School of Physics . "Estamos interessados ​​na dinâmica deste fluxo de informação quântica não apenas para sistemas de informação quântica, mas também de modo mais geral para os problemas fundamentais da física."

A pesquisa está programado para ser publicado em 19 de abril a versão on-line da revista Physical Review Letters . A pesquisa foi financiada pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da National Science Foundation (NSF). O trabalho envolveu tanto um grupo experimental de física dirigida por Raman e um grupo de física teórica liderada pelo professor associado Carlos Sa De Melo, também na Escola de Física Georgia Tech.

Os pesquisadores primeiro montou uma gasosa Bose-Einstein, que consistiu de até três milhões de átomos de sódio resfriado a quase zero absoluto. Para iniciar o experimento, eles ligado um campo magnético aplicado ao BEC que colocou instantaneamente o sistema de equilíbrio. Que giram de troca de colisões provocadas como os átomos tentou fazer a transição de um estado fundamental para uma nova. Átomos perto um do outro tornou-se enredado, emparelhar-se com rotação de um átomo apontando para cima, eo outro está apontando para baixo. Este emparelhamento de spins opostos criou uma correlação entre os pares de átomos que se moviam através de todo o BEC, pois estabeleceu um novo equilíbrio.

Os pesquisadores, entre os quais o estudante Anshuman Vinit e ex-colegas de pós-doutorado Eva Bookjans, medido as correlações como elas se espalham através da nuvem de átomos frios. Na primeira, o emaranhamento quântico foi concentrada no espaço, mas ao longo do tempo, espalhou-se para fora como gota de corante se difunde através da água.

"Você pode imaginar ter uma gota de corante que está concentrada em um ponto no espaço", disse Raman. "Por meio de difusão, as moléculas de corante se mover ao longo da água, estendendo-se lentamente ao longo de todo o sistema."

A pesquisa pode ajudar os cientistas a prever a velocidade de operação de um sistema de computação quântica composta por vários núcleos se comunicam através de um BEC.

"Essa propagação ocorre na escala de tempo de dez a cem milisegundos", disse Raman. "Esta é a velocidade na qual a informação quântica flui naturalmente através deste tipo de sistema. Se você fosse usar esse meio de comunicação quântica, que seria a sua escala de tempo natural e que iria definir o tempo para outros processos. "

Embora relevante para a comunicação de informação quântica, o processo também mostrou como um grande sistema de sofrer uma transição de fase faz em manchas localizadas que se expandem para tentar incorporar todo o sistema.

"Um sistema de extensão não passar de uma fase para outra de maneira uniforme", disse Raman. "Fá-lo localmente. As coisas acontecem no local que não estão conectados um ao outro, inicialmente, de modo que você vê esta falta de homogeneidade. "

Além computação quântica, os resultados também pode ter implicações para a detecção quântica - e para o estudo de outros sistemas físicos que sofrem transições de fase.

"Transições de fase têm propriedades universais", Raman observou. "Pode-se tomar as transições de fase que ocorrem em uma variedade de sistemas e encontram que são descritos pelo mesmo física. É um princípio unificador. "

Raman espera que o trabalho vai levar a novas formas de pensar sobre a computação quântica, independentemente do seu uso prático imediato.

"Um paradigma da computação quântica é a construção de uma cadeia linear de tantos íons aprisionados possível e para projetar simultaneamente afastado como muitos desafios quanto possível", disse ele. "Mas, talvez, o que pode ser bem sucedido é construir esses sistemas quânticos menores que podem se comunicar uns com os outros. É importante tentar tantas coisas quanto possível e manter uma mente aberta. Precisamos tentar entender esses sistemas tão bem quanto nós. "

Esta pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia (DOE) por meio de concessão DE-FG-02-03ER15450 e pela National Science Foundation sob concessão PHY-1100179. As conclusões deste artigo são as do investigador principal e não representam necessariamente a posição oficial do DOE ou a NSF.

Fonte: http://www.gatech.edu