Оптический транзистор

radiotech-student.ru

Оптические вычисления, лежащие в основе создания квантовых компьютеров, на сегодняшний день являются предметом гипотетических рассуждений. Теоретически, квантовые компьютеры способны решать некоторые задачи принципиально по-другому, выходя на совершенно недостижимые уровни быстродействия для классических, электрических компьютеров. А практически, для квантового компьютера отсутствует самое малое, что нужно – элементная база, элементарные вычислительные элементы, оптические аналоги транзисторов.

Но, судя по всему, сделаны первые шаги к практической реализации квантовых вычислений. Ученые из научно-исследовательской лаборатории при Массачусетском технологическом институте электроники, в содружестве с коллегами из Гарвардского университета и Венского технологического университета представили научной общественности результаты своих исследований. Ими проведены эксперименты по практической реализации оптического переключателя, управляемого одним фотоном, который управляет пропусканием светового потока. По сути, это оптический аналог транзистора, основного компонента любой вычислительной системы.

Для реализации оптического транзистора требуется, чтобы фотоны могли оказывать влияние на поведение друг друга. Причем, в обычных условиях при столкновении двух фотонов ничего не произойдет – они не заметят присутствия друг друга, и просто продолжат свое движение.

Предлагаемое решение состоит из двух зеркал, которые образуют своего рода оптический резонатор. Когда оптический переключатель находится в положении «включено», свет проходит через оба зеркала. При состоянии переключателя « выключено», вероятность прохождения снижается до 20%. Если бы было одно зеркало, а не два, то свет просто отражался бы обратно.

Благодаря двум зеркалам поведение меняется. Если бы фотон вел себя как частица, он должен был останавливаться первым зеркалом, но так как он проявляет свои волновые свойства, электромагнитное поле способно проникнуть в пространство между двумя зеркалами. Если расстояние между ними соответствует определенному соотношению длины волны входящего фотона, то между зеркалами создается значительное электромагнитное поле, компенсирующее отраженное поле, идущее обратно от первого зеркала. Поэтому свет распространяется вперёд, сквозь два зеркала на своем пути.

Пространство оптического резонатора был заполнено охлажденными до сверхнизких температур атомами цезия, которые в нормальных условиях не взаимодействуют с фотонами. Если один «затворный» фотон попадает в середину этой группы атомов под определенным углом, переводя лишь одни электрон одного атома в более высокоэнергетическое состояние, то внутри резонатора изменяются физические условия, позволяя осуществить то самое переключение.

Несмотря на низкую эффективность , необходимость охлаждения до околонулевых температур, оптический транзистор заработал. Что позволяет надеяться на будущее квантовых вычислений. Причем разработчики надеются, что подобные эффекты достижимы при более высоких температурах.

Создан квантовый оптический транзистор

Разработка получила рабочее название «quantum optical transistor» . Как предполагается инженерами Max Planck Institute, новинка сможет лечь в основу разработки квантового компьютера и квантовых сетей нового поколения.

Новый квантовый оптический транзистор организовывается по принципам комплексного управления световым потоком. Данная технология  разработана инженерами  Max Planck Institute и получила название «electromagnetically induced transparency» EIT. Метод дает возможность воздействовать на свойства луча используя для этого другой луч. Принцип работы квантового транзистора, контролирующего луч света, аналогичен принципу работы стандартного транзистора, контролирующего электрический ток. В результате кропотливой работы, ученым все же удалось создать транзистор на одном атоме. Ранее, подобный процесс можно было воссоздать с использованием тысяч атомов находящихся в газе.

Известно, что лазерные лучи не воздействуют друг на друга, но как выяснилось, их можно объединить при создании определенных условий. Начало исследований стартовало с того, что в оптическую полость, представляющую собой два очень тонких зеркала, расположенных на расстоянии 0,5 миллиметра, поместили атом рубидия. Далее, на атом рубидия направили основной лазерный луч. Причем, это было сделано так, чтобы рубидий отражал этот световой поток. Далее, в полость направили под прямым углом к основному лучу, другой лазерный луч, получивший в последствии название контролирующий лазер, с частотой отличающейся от основного лазера. Затем начали изменять частотные характеристики контролирующего светового потока и в определенный момент добились эффекта когда атом рубидия перестал отражать основной световой поток. Открытое свойство назвали «condition of transparency» . В результате было выяснено, что комплекс состоящий из зеркальной полости, атома рубидия и двух лазерных световых потоков, может прибывать либо в прозрачном состоянии, либо в состоянии отражения. То есть аналог обычного транзистора, который пропускает ток, либо его блокирует.

По словам разработчиков, коэффициент контрастности возможно обеспечить до ста процентов, это в идеале, однако на сегодняшний день квантовый оптический транзистор может похвастаться только несколькими процентами показателя контрастности. Рекордный показатель, учеными был достигнут на уровне двадцати процентов. Экспериментальные образцы новых транзисторов находятся на доработке, и для повышения эффективности работы транзистора, ученые пытаются, уменьшить размеры зеркальной полости, для повышения взаимодействия между атомом рубидия и фотонами.

Ведущие ученые отмечают, что на данный момент применение на практике данной технологии достаточно проблематично и для создания квантового компьютера потребуются еще десятки лет исследований и экспериментов.

Над созданием квантового Интернета, использующего квантовые транзисторы, работают физики немецкого Института оптики имени Макса Карла Эрнста Людвига Планка во главе с Герхардом Ремпе. Они создали систему, основанную на одном атоме, которую они называют «квантовым оптическим транзистором». В будущем такие транзисторы, возможно, станут основой компьютеров и информационных сетей.

Эден Файджероа, один из исследователей, отмечает, что в 1950 годах люди в Bell Laboratories занимались практически тем же. «Они изобрели транзистор и многие думали, что они сумасшедшие. Однако спустя 50 лет, каждый использует ноутбук…. мы создаём квантовый транзистор, который, возможно, будет использоваться в компьютерах через 30 лет».

Традиционный транзистор — это полупроводниковое устройство, которое позволяет усиливать сигнал, замыкать или размыкать цепь. Транзисторы являются основной частью любой электроники, а тем более компьютеров. В чипах их количество обычно прямо пропорционально производительности и вычислительным возможностям.

Квантовый транзистор отличается тем, что использует особенности квантовой физики, в которой частицы могут сообщаться через открытое пространство даже без необходимости соприкосновения. Квантовый транзистор, разработанный сотрудниками Института квантовой оптики, использует луч света, чтобы изменять свойства другого луча. Это позволяет передавать информацию из точки A в точку Б без необходимости создания каналов передачи.

Их метод опирается на сложную технику управления светом, которая называется электромагнитно вызываемая прозрачность. Один луч света контролирует свойства другого, почти как в обычных транзисторах напряжение контролирует ток, проходящий через транзистор. Исследователи впервые демонстрируют эффект EIT через посредничество одного атома: ранее техника применялась на сотнях и тысячах атомах в газе.

При обычных условиях луч лазера не взаимодействует с другим лучом, однако при определённых условиях этого можно добиться. Немецкие исследователи поместили атом рубидия в конструкцию между двумя тонкими зеркалами, находящимися на расстоянии полмиллиметра друг от друга. Затем они направили лазер на данную конструкцию, настроив его так, чтобы атом начал отражать свет. Затем направили на атом второй управляющий луч лазера с иной частотой под прямым углом к первому и настроили его так, чтобы создать условия прозрачности для прохождения первого лазера чрез конструкцию. Таким образом, система стала иметь два состояния — прозрачное и непрозрачное, по аналогии с открытым и закрытым состоянием классического транзистора.

Подобный квантово-механический транзистор был разработан командой Sandia в лаборатории Департамента энергии . По данным Sandia, устройство в состоянии исполнять триллион операций в секунду, в 10 раз быстрее самых совершенных транзисторных схем, используемых в настоящее время.

Благодаря разработке таких групп исследователей как Sandia и Института квантовой оптики, эра квантового интернета и квантовых вычислений может оказаться совсем рядом.

Оптический транзистор — очередной шаг на пути к квантовому Интернету

radiotech-student.ruВычислительная оптика, или использование света вместо электричества для проведения расчётов – это наиболее значимое отличие квантовых компьютеров от традиционных. Она позволяет производить вычисление со значительно большей скоростью, и работает она на частицах света. или фотонах. Но когда два фотона встречаются, они обычно проходят сквозь друг друга, что сильно затрудняет применение данной технологии, сообщает Science Recorder.

Исследовательская группа, куда входят ученые из исследовательской лаборатории по электронике Массачусетского технологического института, Венского технологического университета и Гарвардского университета, была организована для поиска новых способов влияния на поведение фотонов, с целью создания успешного оптического компьютерного сервера.

Ученые смогли создать оптический выключатель с одним-единственным фотоном – оптический аналог транзистора. Квантовая физика лучше «работает» с индивидуальными частицами, что и сделало возможным использование одного-единственного фотона для создания выключателя. В нем заключена пара небольших зеркал с высокой светоотражающей способностью. Световой луч проходит сквозь зеркала при нажатии выключателя. Два зеркала вместе действуют как оптические резонатор, становясь прозрачными для света при правильной дистанции, отделяющей их друг от друга. В положении «выключено» лишь 20% проходят сквозь зеркала.

Когда частицы находятся одновременно во взаимноисключающих состояниях, это явление называется квантовой суперпозицией. Примитивные квантовые компьютеры с большим трудом пытались удержать ионы в суперпозиции. Оптический выключатель позволил ученым создать ряды оптических контуров, удерживающихся в суперпозиции. Фотонам легче сохранить суперпозицию, что делает их идеальными кандидатами для использования в квантовых компьютерах – надо только заставить их взаимодействовать.

Транзистор, включаемый фотонами, также способен фильтровать квантовый шум, передавая выводную информацию назад в цепь – нечто невиданное! Он также может использоваться в качестве детектора фотонов, обнаруживая фотон, но не уничтожая его. Раньше это также было невозможно. Именно эта способность принципиально важна для использования фотонов в квантовой обработке информации, объясняют ученые из МТИ.

Результаты данного исследования могут быть использованы для создания вычислительных микросхем с более долговечными батареями и более высокими скоростями обработки данных. Елена Вукович, профессор электромеханики Стэнфордского университета, считает, что результаты исследования можно будет воспроизвести в физических системах, которые будет проще включить в компьютерные микросхемы.

Источники: radiotech-student.ru, modnews.ru, gizmod.ru, www.3dnews.ru, nauka21vek.ru

Дети Локи. Часть1

Человек-волк

Гимерот - бог плотской любви

Наследник престола

Пародонтоз и его предотвращение

Одним из заболеваний десен, которое практически не поддается лечению, является пародонтоз. Если вовремя не лечить это заболевание, отростки, которые прилегают ...


История искусства росписи

К искусству человека потянуло сразу, как только проснулось в нем сознание: росписи в древних пещерах тому подтверждение, им более двух ...


Северная Война 1700 - 1721 гг.

Северная война 1700-1721 гг. была выдающимся событием первой четверти XVIII столетия. Она сыграла огромную роль в исторических судьбах народов ...


Политические институты Древней Греции

После того, как монархический строй прекратил свое существование, в греческих полисах установились схожие политические институты, которые оставались постоянными в ...


На природе около Львова

Нет такого человека, который бы не отказался от проведения отдыха в лесу или на берегу озера. Очень редко мы бываем ...


Россия в 20 веке

Россия относилась ко второму эшелону стран, вступивших на путь капиталистического развития позднее ведущих стран Запада. Но за пореформенное сорокалетие, ...


Славянский бог Варуна

Кроме Вышних Богов и Богов-Покровителей, немаловажное внимание уделяется почитанию Богов-Управителей, которые управляют Стихиями, течением Жизни и многими событиями. Богов-Управителей ...