Sólin Sólin Rís 03:00 • sest 23:57 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 03:26 • Sest 02:11 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 07:34 • Síðdegis: 19:49 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 01:31 • Síðdegis: 13:36 í Reykjavík

Hvað er skammtabiti og hvernig er hann búinn til?

Ottó Elíasson

Í svari við spurningunni Hvernig er hugsanlegt að byggja tölvur á skammtafræðilegum vinnsluaðferðum? er ágæt umræða um innri gerð tölva og hugmyndina um bitann, einingu sem getur tekið tvö gildi 0 eða 1 og liggur til grundvallar öllum hefðbundnum reikningum. Þar er líka rætt um skammtabitann sem er þeirrar náttúru gæddur að gildi hans er einungis 0 eða 1 þegar ástand hans er mælt. Á milli mælinga er ástand skammtabitans hvorki 0 né 1, heldur sambland þess að vera 0 eða 1. Þeir sem kunna dálitla stærðfræði skilja að ástand bitans er línuleg samantekt af því að vera 0 eða 1.

Til þess að búa til skammtabita þarf einfaldlega tvö skammtaástönd sem búa má til í allskonar kerfum og geta verið af ýmsum toga. Í grófum dráttum er skammtabitinn ýmist myndaður í innri orkustigum (eða innri frelsisgráðum) til dæmis í spuna (e. spin) rafeindar. Einnig má hugsa sér skammtabita með því að tiltekinn eind er til staðar, eða ekki, og þá er talað um skammtabita í hleðslu (e. charge). Athugið þó að slík hleðsla er ekki endilega rafhleðsla.

Til þess að taka nokkur dæmi má nefna eftirfarandi. Einfaldasta dæmið sem höfundur getur hugsað sér er að mynda skammtabita í spunaástandi rafeindar sem bundin er atómi. Almennt eru skammtabitar alltaf myndaðir í svokölluðum tveggja þrepa kerfum (e. two-level system). Þó á því séu sannarlega talsverðir annmarkar, finnst höfundi alltaf gagnlegt að sjá fyrir sér atómlíkan danska eðlisfræðingsins Níels Bohr í þessu samhengi. Skammtabita af þessu tagi má til dæmis smíða í atómum kaldra atómskýja eða í jónum sem fangaðar eru í sérstökum jónagildrum.

Tveggja stiga rafeindakerfi í atómi, teiknað samkvæmt líkani Bohrs. Kerfið á myndinni getur verið í tveimur ástöndum og fer milli þeirra með því að senda frá sér eða gleypa ljóseind. Líkanið er gagnlegt til að sjá fyrir sér hvernig hægt er að mynda skammtabita í atómi, en önnur kerfi eru þó algengari sem skammtabitar.

Til að nefna fleiri dæmi má búa til skammtabita í orkustigum svokallaðra skammtapunkta (e. quantum dot) eftir því hvort þar sitji rafeind eða ekki (eða jafnvel í spunaástandi þeirrar rafeindar); skautunarástandi ljóseinda (til dæmis þverstæðum línulegum skautunarháttum, eða hægri/vinstri hringskautun ljóseindanna); ágalla kristallagrindar demants, þar sem í stað tveggja kolefnisatóma hlið við hlið í grindinni situr eitt nituratóm og við hlið þess er tómt sæti í kristallinum (e. NV-center), og skammtabitann má þá mynda í spuna rafeindar sem situr í þessu kerfi; að endingu má svo nefna skammtabita sem myndaðir eru í hleðsluástandi rásar í ofurleiðandi Josephson-samskeyti.[1]

Þessi upptalning er langt því frá tæmandi og rannsóknarhópar um allan heim kanna stöðugt nýjar leiðir til að mynda og stýra skammtabitum. Sú tegund skammtabita sem stórfyrirtækin (Google og IBM) veðja á í sinni skammtatölvusmíði eru svokallaðir Transmon-skammtabitar, sem eru einmitt útgáfa af síðasta dæminu í upptalningunni hér að framan. Þeirra helstu kostir liggja í því að auðvelt er (í einhverjum skilningi) að fjölga skammtabitum, stækka kerfin og tengja þá saman, því skammtabitarnir eru hreinlega prentaðir á flögur á svipaðan hátt og hefðbundnar tölvurásir.

Ýmis stórfyrirtæki veðja á svokallaða Transmon-skammtabita í sinni skammtatölvusmíði. Slíka skammtabita er hægt að prenta á flögur á svipaðan hátt og hefðbundnar tölvurásir.

Helstu áskoranirnar liggja svo í gæðum skammtabitanna, en líftími þeirra er almennt mjög skammur. Þar liggja til að mynda kostir skammtabita sem smíðaðir eru í jónum í jónagildrum, sem hafa langan líftíma, en erfiðara hefur reynst að smíða stór kerfi þar sem auðvelt er að samtengja marga slíka skammtabita.

Tilvísun:
  1. ^ Lýsingum á sumum þessara gerða skammtabita (og fleiri) má finna í M. A. Nielsen & I. L. Chuang (2010). Quantum Computation and Quantum Information. CUP.

Myndir:

Spurningu Kristrúnar Lilju er hér svarað að hluta.

Höfundur

Ottó Elíasson

doktor í eðlisfræði

Útgáfudagur

30.11.2020

Spyrjandi

Kristrún Lilja Júlíusdóttir

Tilvísun

Ottó Elíasson. „Hvað er skammtabiti og hvernig er hann búinn til?“ Vísindavefurinn, 30. nóvember 2020. Sótt 12. júní 2021. http://visindavefur.is/svar.php?id=80673.

Ottó Elíasson. (2020, 30. nóvember). Hvað er skammtabiti og hvernig er hann búinn til? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=80673

Ottó Elíasson. „Hvað er skammtabiti og hvernig er hann búinn til?“ Vísindavefurinn. 30. nóv. 2020. Vefsíða. 12. jún. 2021. <http://visindavefur.is/svar.php?id=80673>.

Chicago | APA | MLA

Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvað er skammtabiti og hvernig er hann búinn til?
Í svari við spurningunni Hvernig er hugsanlegt að byggja tölvur á skammtafræðilegum vinnsluaðferðum? er ágæt umræða um innri gerð tölva og hugmyndina um bitann, einingu sem getur tekið tvö gildi 0 eða 1 og liggur til grundvallar öllum hefðbundnum reikningum. Þar er líka rætt um skammtabitann sem er þeirrar náttúru gæddur að gildi hans er einungis 0 eða 1 þegar ástand hans er mælt. Á milli mælinga er ástand skammtabitans hvorki 0 né 1, heldur sambland þess að vera 0 eða 1. Þeir sem kunna dálitla stærðfræði skilja að ástand bitans er línuleg samantekt af því að vera 0 eða 1.

Til þess að búa til skammtabita þarf einfaldlega tvö skammtaástönd sem búa má til í allskonar kerfum og geta verið af ýmsum toga. Í grófum dráttum er skammtabitinn ýmist myndaður í innri orkustigum (eða innri frelsisgráðum) til dæmis í spuna (e. spin) rafeindar. Einnig má hugsa sér skammtabita með því að tiltekinn eind er til staðar, eða ekki, og þá er talað um skammtabita í hleðslu (e. charge). Athugið þó að slík hleðsla er ekki endilega rafhleðsla.

Til þess að taka nokkur dæmi má nefna eftirfarandi. Einfaldasta dæmið sem höfundur getur hugsað sér er að mynda skammtabita í spunaástandi rafeindar sem bundin er atómi. Almennt eru skammtabitar alltaf myndaðir í svokölluðum tveggja þrepa kerfum (e. two-level system). Þó á því séu sannarlega talsverðir annmarkar, finnst höfundi alltaf gagnlegt að sjá fyrir sér atómlíkan danska eðlisfræðingsins Níels Bohr í þessu samhengi. Skammtabita af þessu tagi má til dæmis smíða í atómum kaldra atómskýja eða í jónum sem fangaðar eru í sérstökum jónagildrum.

Tveggja stiga rafeindakerfi í atómi, teiknað samkvæmt líkani Bohrs. Kerfið á myndinni getur verið í tveimur ástöndum og fer milli þeirra með því að senda frá sér eða gleypa ljóseind. Líkanið er gagnlegt til að sjá fyrir sér hvernig hægt er að mynda skammtabita í atómi, en önnur kerfi eru þó algengari sem skammtabitar.

Til að nefna fleiri dæmi má búa til skammtabita í orkustigum svokallaðra skammtapunkta (e. quantum dot) eftir því hvort þar sitji rafeind eða ekki (eða jafnvel í spunaástandi þeirrar rafeindar); skautunarástandi ljóseinda (til dæmis þverstæðum línulegum skautunarháttum, eða hægri/vinstri hringskautun ljóseindanna); ágalla kristallagrindar demants, þar sem í stað tveggja kolefnisatóma hlið við hlið í grindinni situr eitt nituratóm og við hlið þess er tómt sæti í kristallinum (e. NV-center), og skammtabitann má þá mynda í spuna rafeindar sem situr í þessu kerfi; að endingu má svo nefna skammtabita sem myndaðir eru í hleðsluástandi rásar í ofurleiðandi Josephson-samskeyti.[1]

Þessi upptalning er langt því frá tæmandi og rannsóknarhópar um allan heim kanna stöðugt nýjar leiðir til að mynda og stýra skammtabitum. Sú tegund skammtabita sem stórfyrirtækin (Google og IBM) veðja á í sinni skammtatölvusmíði eru svokallaðir Transmon-skammtabitar, sem eru einmitt útgáfa af síðasta dæminu í upptalningunni hér að framan. Þeirra helstu kostir liggja í því að auðvelt er (í einhverjum skilningi) að fjölga skammtabitum, stækka kerfin og tengja þá saman, því skammtabitarnir eru hreinlega prentaðir á flögur á svipaðan hátt og hefðbundnar tölvurásir.

Ýmis stórfyrirtæki veðja á svokallaða Transmon-skammtabita í sinni skammtatölvusmíði. Slíka skammtabita er hægt að prenta á flögur á svipaðan hátt og hefðbundnar tölvurásir.

Helstu áskoranirnar liggja svo í gæðum skammtabitanna, en líftími þeirra er almennt mjög skammur. Þar liggja til að mynda kostir skammtabita sem smíðaðir eru í jónum í jónagildrum, sem hafa langan líftíma, en erfiðara hefur reynst að smíða stór kerfi þar sem auðvelt er að samtengja marga slíka skammtabita.

Tilvísun:
  1. ^ Lýsingum á sumum þessara gerða skammtabita (og fleiri) má finna í M. A. Nielsen & I. L. Chuang (2010). Quantum Computation and Quantum Information. CUP.

Myndir:

Spurningu Kristrúnar Lilju er hér svarað að hluta....