Учёные открывают более эффективный способ передачи информации в квантовых компьютерах.
Полые атомы — это особые атомы с несколькими отсутствующими электронами во внутренних оболочках, в то время как их внешние оболочки всё ещё полностью или частично заполнены электронами. Изучение механизмов производства, внутренней структуры и свойств девозбуждения этих атомов в возбуждённом состоянии даёт представление о квантовой электродинамике и квантовых взаимодействиях многих тел, что находит применение в таких областях, как ионизационные рентгеновские лазеры внутренней оболочки, физика высоких плотностей энергии и молекулярная визуализация.
Исследователи из Института современной физики (IMP) Китайской академии наук недавно подтвердили, что столкновение полностью лишённых электронов тяжёлых ионов с атомами является эффективным способом получения тяжёлых полых атомов с высоким выходом. Они также разработали спектрометр с высоким разрешением для измерения тонкой структуры рентгеновских лучей с многозарядной ионизацией внутренних оболочек.
Результаты опубликованы в Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy и Physical Review A.
Эффективное производство тяжёлых полых атомов
Эффективное производство и систематическое изучение тяжёлых полых атомов долгое время представляли значительные трудности. Для решения этой задачи исследователи провели эксперимент, в котором полностью лишённые электронов ионы ксенона столкнулись с мишенями из ксенона с использованием охлаждающего накопительного кольца в Центре исследований тяжёлых ионов в Ланьчжоу (HIRFL).
После измерения рентгеновских спектров атомов-мишеней исследователи обнаружили, что относительная выходная мощность полых атомов ксенона была на 28,6% выше, чем у атомов ксенона с одиночной вакансией в K-оболочке. Результат указывает на то, что столкновение полностью лишённых электронов тяжёлых ионов с атомами является эффективным методом для получения тяжёлых полых атомов с высоким выходом.
Для дальнейшего изучения характеристик генерации и девозбуждения таких полых атомов исследователи независимо разработали компактный спектрометр с высоким разрешением и широкой полосой пропускания. Этот спектрометр имеет уникальную геометрическую конфигурацию, оптимизированную для спектральных характеристик рентгеновского излучения многозарядных ионов, что значительно повышает точность и удобство.
Новые горизонты в квантовых вычислениях
Квантовые компьютеры обладают потенциалом революционизировать вычисления, решая сложные задачи, которые ставят в тупик даже самые быстрые современные машины. Учёные изучают, могут ли квантовые компьютеры однажды помочь оптимизировать глобальные цепочки поставок, создать сверхзащищённое шифрование для защиты конфиденциальных данных от даже самых мощных кибератак или разработать более эффективные лекарства путём моделирования их поведения на атомном уровне.
Но создание эффективных квантовых компьютеров — это не только разработка более быстрых чипов или лучшего оборудования. Это также требует глубокого понимания квантовой механики — странных правил, управляющих мельчайшими строительными блоками нашей Вселенной, такими как атомы и электроны, — и того, как эффективно перемещать информацию через квантовые системы.
В статье, опубликованной в Physics Review X, группа физиков, включая аспирантку Элизабет Чемпион и доцента Махиэля Блока из Университета Рочестера, описала метод решения сложной задачи в квантовых вычислениях: как эффективно перемещать информацию внутри многоуровневой системы с использованием квантовых единиц, называемых кудитами.
«Эффективный контроль процессора кудитов был давней задачей», — говорит Чемпион, первый автор статьи. «Разработанные нами методы позволяют выполнять основные операции квантового компьютера на основе кудитов за гораздо меньшее количество шагов, максимально используя аппаратные возможности. Это потенциально может сделать возможными квантовые вычисления и моделирование, которые раньше были невозможны».
В квантовых компьютерах информация не привязана к определённому месту. Вместо этого она живёт в более абстрактном мире гильбертова пространства, массивной математической среды. Здесь частицы — это не просто крошечные точки, движущиеся по кругу, но и абстрактные волны вероятности, существующие во многих местах и состояниях одновременно. Хотя гильбертово пространство — это не то, что вы можете увидеть или найти на физическом компьютерном чипе, именно в нём происходит вычислительная мощность квантовых вычислений.
«Математическая структура, которую мы используем для представления состояния квантового компьютера и вычисления, буквально является матрицей», — говорит Блок. «Цель квантового компьютера — эффективно перемещать информацию в этой матрице».
Перемещение информации через абстрактный математический ландшафт гильбертова пространства — непростая задача. Для этого учёные полагаются на квантовые строительные блоки, называемые кубитами, и, что более важно, кудитами.
В то время как классические компьютеры передают информацию с помощью миллиардов крошечных переключателей, называемых битами, квантовые компьютеры обычно перемещают информацию через гильбертово пространство с помощью кубитов — квантовых битов, которые могут существовать в нескольких состояниях одновременно. В классических системах каждый бит является либо «0» (выключен), либо «1» (включён). Кубиты, однако, подчиняются странным законам квантовой механики и могут быть одновременно «0» и «1».
Но даже у кубитов есть свои ограничения. Блок сравнивает кубиты со «строительством обширного города с слишком большим количеством дорог, например, Лос-Анджелеса». Его исследование представляет принципиально иной подход к перемещению информации в гильбертовом пространстве с помощью кудитов, которые могут хранить больше информации в одном месте. Другими словами, кудиты выходят за рамки «0» и «1» и могут иметь три или более состояний («0», «1», «2» и т. д.) для кодирования информации. Это делает архитектуру больше похожей на «плотный, многоэтажный город, такой как Нью-Йорк», — говорит он.
Новый метод, разработанный Блоком и Чемпионом, использует «крупнейший кудит и наиболее эффективный метод его работы», — говорит Блок. Метод вдохновлён ядерным магнитным резонансом, методом, который использует магнитные поля для манипулирования квантовым свойством частиц, называемым «спинами».
«Это как соединить все этажи высотного здания одновременно», — говорит Блок. «Используя методы из физики больших спинов, мы обнаружили гораздо более эффективный способ маршрутизации квантовой информации внутри каждого кудита, потенциально открывая путь к более быстрым, более масштабируемым квантовым компьютерам с гораздо меньшим количеством операционных узких мест».
Предоставлено Университетом Рочестера.