Nichts ist mit dem Fangspiel vergleichbar; Das Hin- und Herwerfen eines Baseballs sorgt für einfachen, mühelosen Spaß. Aber wenn es um Laser und eisige Atome geht, ist das eine Herausforderung.
In einer neuen Studie haben Wissenschaftler ein Mini-Baseballspiel entwickelt, bei dem Laserstrahlen Atome starten und einfangen. Laut einer kürzlich in der Zeitschrift Optica veröffentlichten Studie ist dies der erste Fall, in dem laserbetriebene „optische Fallen“ erfolgreich Atome ausgestoßen und eingefangen haben. Diese Geräte funktionieren ähnlich wie ein Star Wars-Lichtschwert, um winzige Partikel zu manipulieren. Forscher fanden heraus, dass Speedball-Atome 4,2 Mikrometer mit 65 Zentimetern pro Sekunde zurücklegen. Zum Vergleich: Die schnellste Spinne kann bis zu etwa 50 Zentimeter pro Sekunde kriechen. Im Gegensatz dazu kann die schnellste Spinne bis zu etwa 50 Zentimeter pro Sekunde kriechen.
Mit dem Potenzial, Modelle tausendmal schneller als bestehende Maschinen laufen zu lassen, könnte es eines Tages den Weg für Innovationen wie Quantencomputer ebnen, die von diesem neuen Mechanismus angetrieben werden, neue lebensrettende Medikamente, intelligente künstliche Intelligenz und fortschrittliche Cybersicherheit.
Insbesondere optische Fallen können Qubits schnell neu anordnen, die quantenmechanische Version von Bits, die Informationsblöcke tragen, die in normalen Computern zu sehen sind.
„Es gibt Möglichkeiten, Qubits zu verschieben, um effizientere und schnellere Quantencomputer zu ermöglichen“, sagte Jaewook Ahn, Physiker am Korea Advanced Institute of Science and Technology und Mitautor der neuen Studie, in einer Erklärung.
Diese futuristische Technologie, die Daten mithilfe der Quantenmechanik speichert, wird noch von Wissenschaftlern entwickelt. Wenn es gut läuft, könnten diese extravaganten Maschinen Probleme lösen, die selbst heutige Supercomputer verblüffen – und das mit viel höherer Geschwindigkeit.
Heutige übliche Computer arbeiten, indem sie Informationen in Bits codieren, die Zustände darstellen, in denen elektrische Signale „ein“ oder „aus“ geschaltet werden, indem Kombinationen von 1 und 0 verwendet werden. Bits stellen Zustände dar, wenn elektrische Impulse ein- oder ausgeschaltet werden. In der Zwischenzeit speichert eine Quantenmaschine diese Informationen in Qubits, die aus winzigen Teilchen hergestellt werden können, die in Atome passen, einschließlich Elektronen oder Photonen.
Superposition ist eine besondere Quanteneigenschaft, die es Qubits ermöglicht, 0 und 1 gleichzeitig darzustellen. Das deutet darauf hin, dass eines dieser Geräte vier Standard-Computer praktisch ersetzen kann. Darüber hinaus steigt die Rechenleistung eines Computers exponentiell, wenn mehr Qubits hinzugefügt werden.
Zu den Möglichkeiten für Quantencomputersysteme gehören supraleitende elektrische Schaltkreise und die Verwendung elektromagnetischer Felder zum Einfangen von Ionen. (Die Firma IBM arbeitet derzeit daran).
Eine andere Art der Berechnung, bekannt als Berechnung mit neutralen Atomen, verwendet intensive Laserstrahlen, um Atome zu suspendieren und zu steuern, um Qubits zu erzeugen.
Qubits sind in der Praxis schwierig; Um Daten korrekt zu verarbeiten, müssen sie oft in genau beabstandeten Arrays platziert werden, und es entstehen oft Lücken, wenn Forscher versuchen, Atome sorgfältig in einem Gerät zu platzieren. Doch es ist schwierig, einzelne Atome präzise zu bewegen, um diese Lücken zu schließen.
Laut dem Physiker Brian Leeds DeMarco von der University of Illinois at Urbana-Champaign sind Anordnungen neutraler Atome, die in fokussierten Laserstrahlen gefangen sind, eine der effektivsten Quantencomputerplattformen. Diese Architektur hat ein Handicap bei der effektiven Erzeugung eines fehlerfreien Arrays ohne fehlende Atome.
Anstatt jedes Atom in einem Array auf einmal zu verschieben, kann die hervorragende Technik jeden Defekt einzeln behandeln. Letzteres ist laut Physiker Robert Niffenegger „im Moment ein zeitraubender Prozess“.
Atomfallen und optische Fallen
Sie begannen mit der Verwendung eines 800-Nanometer-Lasers, um optische Fallen einzurichten und Rubidium-Metallatome auf nahezu den absoluten Nullpunkt einzufrieren. Sie hielten das Atom an Ort und Stelle, beschleunigten die Falle, schlossen sie und starteten sie wie ein Katapult, um das Atom zu "werfen". Das Atom wird dann von einer anderen Laserfalle eingefangen, die langsamer wird, um das Atom an Ort und Stelle zu stoppen.
In der jüngsten Studie behaupteten Wissenschaftler, dass ihr Ansatz zu 94 % erfolgreich war. Aber Ahn schlägt vor, dass diese Technik mit „einer niedrigeren Atomtemperatur und stabileren Laserbehandlungen“ eine Genauigkeit von „nahezu 100 Prozent“ erreichen kann.
Ahn und seine Kollegen sind nicht die ersten Wissenschaftler, die optische Fallen verwenden, um dieses Problem zu lösen. Frühere Forschungen haben versucht, Atome zwischen Regionen mit einem Laser zu führen; Diese neue Methode unterscheidet sich jedoch dadurch, dass Atome von selbst aufsteigen können, was schneller und effektiver sein kann.
Wissenschaftler sind sich zwar einig, dass diese Entwicklung das Quantencomputing möglicherweise beschleunigen könnte, sie könnte aber auch Nachteile haben. Niffenegger weist darauf hin, dass diese neue Methode möglicherweise nicht so gut funktioniert wie ähnliche Techniken, die auf Ionen angewendet werden: Eine im letzten Monat veröffentlichte Studie zeigte laut Niffenegger, dass elektromagnetische Felder Defekte beseitigen können, indem sie Ionen mit höheren Geschwindigkeiten und größeren Entfernungen durch gefangene Ionendesigns bewegen Quantencomputer.
DeMarco teilt diese Skepsis. Er sagt, er sei sich nicht sicher, ob dieser Ansatz von anderen Forschern in der Region oder von Unternehmen, die sich mit Quantencomputern mit neutralen Atomen befassen, verwendet werde. „Im Vergleich zu Standardtechniken, die eine dynamische Umlagerung beinhalten, ist die Erfolgswahrscheinlichkeit beim Werfen und Fangen von Atomen relativ gering.“
DeMarco fährt fort: „Darüber hinaus führt diese neue Technik im Vergleich zu anderen Strategien zu einer Menge zusätzlicher technischer Komplexität.“
Aber Ahn gibt zu, dass sich diese Arbeit noch in einem frühen Stadium befindet und in absehbarer Zeit keine Computer erreichen wird.
Da Qubits während des Quantencomputings dynamisch neu angeordnet werden können, könnte laut Ahn das Quantencomputing effizienter und schneller werden, wenn man sie verschiebt. Im Moment ist dies jedoch „zu viel von einer Behauptung“, daher glauben wir weiterhin, dass unser Ansatz für die Qubit-Vorbereitung (nicht für direktes Quantencomputing) effizienter und schneller sein könnte.
Quelle: inverse.com/science
📩 23/03/2023 22:39