コペンハーゲン大学ニールス・ボーア研究所の研究者は、量子メモリを作成する新しい方法を開発しました。小さなドラムは、その音波振動で光とともに送信されたデータを保存し、再び必要になったときに新しい光源でデータを転送できます。この結果は、量子データの機械的メモリが、驚異的な速度を備えた超安全なインターネットへの道を切り開く戦略となる可能性があることを示しています。
研究はジャーナルに発表されています Physical Review Lettersに.
ニールス・ボーアの古いオフィスのすぐ下には地下室があり、小さな鏡、レーザー、そしてワイヤーの網とテープの山で接続されたあらゆる種類のデバイスの集合体で覆われた散在するテーブルが置かれています。それは子供のプロジェクトが行き過ぎたようで、両親が彼らに片づけさせようとして無駄に努めたプロジェクトのようです。
これらのテーブルが実際に世界をリードする一連の研究プロジェクトの本拠地であることを素人の目には見分けるのは困難ですが、重要なことはニュートンの法則さえ当てはまらないほど小さな世界の中で起こっています。ここは、ニールス・ボーアの量子物理継承者が最先端の量子技術を開発している場所です。
これらのプロジェクトのうちの 1 つは、肉眼で見えるギズモが量子状態を達成できるという事実によって、少なくとも物理学者にとっては際立っています。量子ドラムは、端に沿って整然としたパターンで穴が散在する、セラミックのガラスのような素材で作られた小さな膜です。
ドラムがレーザーの光で叩かれると、ドラムは振動し始めますが、これは量子力学が作用するほど迅速かつ干渉なく行われます。この特性は、多くの量子技術の可能性を切り開き、長い間話題を引き起こしてきました。
現在、同研究所のさまざまな量子分野にわたる共同研究により、ドラムが将来の量子コンピューターのネットワークにとっても重要な役割を果たす可能性があることが実証されました。現代の錬金術師のように、研究者たちは光信号を音波振動に変換することによって、新しい形の「量子メモリ」を作成しました。
発表されたばかりの研究論文の中で、研究者らは、光信号として放出された量子コンピューターからの量子データが、たとえば高速インターネット接続にすでに使用されているタイプの光ファイバーケーブルを通じて、振動として保存できることを証明した。ドラムを叩いてから転送します。
これまでの実験では、膜が壊れやすい量子状態を維持できることが研究者に実証されていた。これに基づいて、ドラムは量子データを「デコヒーリング」することなく、つまり量子コンピューターの準備ができたときに量子状態を失うことなく送受信できるはずだと彼らは考えています。
「これは、量子コンピューターが私たちが期待していることを実際に実行できる日への大きな展望を開きます。量子メモリは、量子情報を遠くに送信するための基礎となる可能性があります。したがって、私たちが開発したものは、量子速度と量子セキュリティを備えた未来のインターネットのまさに基盤における重要な部分です」と、新しい研究論文の主著者であるニールス・ボーア研究所の博士研究員マッツ・ビジェレガード・クリステンセンは述べています。
超高速、超安全
離れた距離にある 2 台の量子コンピューター間で、または量子インターネット内の多くの量子コンピューター間で情報を転送する場合、信号はすぐにノイズによってかき消されてしまいます。光ファイバーケーブル内のノイズの量は、ケーブルが長くなると指数関数的に増加します。最終的には、データをデコードできなくなります。
従来のインターネットやその他の主要なコンピュータ ネットワークは、伝送ルートに沿った小さなステーションで信号を増幅することで、このノイズ問題を解決しています。しかし、量子コンピューターが同様の方法を適用するには、まずデータを通常のコンピューターで使用されるような通常の 2 進数システムに変換する必要があります。
これではだめだ。そうすることでネットワークが遅くなり、サイバー攻撃に対して脆弱になります。量子コンピューターの将来において従来のデータ保護が有効になる可能性は非常に低いからです。
「代わりに、量子ドラムがこのタスクを引き受けることができることを期待しています。量子コンピューターからの信号の受信と再送信に非常に適しているため、大きな期待が寄せられています。したがって、目標は、量子ドラムが信号を受信および再送信するステーションを介して量子コンピューター間の接続を拡張し、そうすることでデータを量子状態に保ちながらノイズを回避することです」とクリステンセン氏は言います。
「そうすることで、量子状態に特有の重ね合わせやもつれなどの特性を利用することによって実現されるため、たとえば特定の複雑な計算に関連した量子コンピューターの速度と利点は、ネットワークやインターネット全体に広がることになります。」
成功すれば、ステーションは量子で保護された接続を拡張することもでき、その量子コードもドラムによって延長される可能性があります。将来の量子インターネットでは、これらの安全な信号は、量子ネットワークの周囲や大西洋を越えて、さまざまな距離を超えて送信される可能性があります。
柔軟で実用的であり、量子RAMとしては画期的である可能性がある
他の場所では、データを運ぶ光源を原子系に向けて原子内の電子を一時的に移動させる代替方法の研究が行われていますが、この方法には限界があります。
「原子や原子が相互作用する光の周波数を設計することはできないため、原子システムでできることには限界があります。当社の比較的「大規模な」機械システムは、より高い柔軟性を提供します。新しい発見によってゲームのルールが変わったとしても、量子ドラムを適応させることができる可能性は十分にあります」と、研究論文の共著者であるアルバート・シュリーサー教授は説明します。
「良くも悪くも、研究者としての私たちの能力が、すべてがうまく機能する限界を決めるのです」と彼は指摘します。
ドラムは、多くの特性を組み合わせた機械的量子メモリの最新かつ最も真剣な取り組みです。ドラムは信号損失が低く、データ信号の強度が十分に保持されます。また、現代のインターネットが構築されている光ファイバー光ケーブルで使用される周波数を含む、すべての光周波数を処理できるという大きな利点もあります。
量子ドラムは、データを保存しておき、必要なときにいつでも読み出せるので便利です。そして、研究者らによってすでに記録的な 23 ミリ秒という記憶時間が達成されていることから、 テクノロジー いつか、量子コンピュータのハードウェアだけでなく、量子ネットワークのシステムの構成要素になるかもしれません。
「私たちはこの研究を早期に完了しました。量子コンピューティングと通信はまだ開発の初期段階にありますが、私たちが入手したメモリを使えば、量子ドラムはいつか一種の量子RAM、つまり量子情報のための一時的な作業メモリの一種として使用されるだろうと推測できます。 。それは画期的なことでしょう」と教授は言う。