Detaily článku

Užitečná aplikace pro kvantový procesor: Zlepšení spektroskopických měření

Vědci z Varšavské univerzity sestrojili první kvantový procesor v Polsku a využívají ho ve spektroskopii. Ukázali, jak může kvantové zpracování informace efektivně poskytnout informace o hmotě skryté ve světle.

Datum: 28.2.2022

kvantový procesor, spektroskopie

Před několika lety fyzikové z Centra kvantových optických technologií a Fyzikální fakulty Varšavské univerzity navrhli a sestrojili první kvantovou paměť v Polsku, která byla dále vyvinuta v kvantový procesor.

"Náš procesor je založen na mraku chladných atomů. Ty dokáží efektivně ukládat a zpracovávat informace ze světla," popisuje Dr. Michal Parniak, vedoucí Laboratoře kvantově-optických zařízení.

V článku nedávno zveřejněném v časopise "Nature Communications" doktorandi Mateusz Mazelanik a Adam Leszczynski s Dr. Michalem Parniakem ukazují, že zařízení může řešit reálné problémy, které nelze vyřešit pomocí standardních procesorů; může být použito jako součást superrozlišovacího spektrometru.

"Z jednotlivých fotonů vymačkáme co nejvíce informací, takže měření se stává velmi efektivním," komentuje první autor Mateusz Mazelanik.

Světlo, které k nám přichází z různých objektů, obsahuje spoustu informací, například o tom, z jaké hmoty jsou tyto objekty vyrobeny. Tyto informace jsou viditelné ve světelném spektru (spektrum můžete vidět, když se světlo rozptýlí v hranolu).

Světlo, které k nám dopadá ze vzdálené hvězdy, nám říká, z jakých prvků je hvězda složena (tak víme, z čeho jsou složeny hvězdy v jiných galaxiích). Když světlo prochází roztokem nebo látkou, jsme schopni určit, z čeho se skládá, tj. zda obsahuje toxiny. Věda zabývající se shromažďováním a analýzou tohoto typu informací se nazývá spektroskopie (známá také jako spektrometrie). Tento vědní obor denně využívají biologové, fyzikové, astronomové, chemici i lékaři.

Ve spektroskopii však existuje významné omezení, známé jako Rayleighova mez, které říká, že informace ze světla nelze získat s nekonečnou přesností. Některé signály spektra, známé jako spektrální čáry, si mohou být natolik podobné, že je tradiční optické spektrometry nedokážou rozlišit.

"Naše zařízení a algoritmus nám umožňují nejen efektivněji získávat informace ze světla, ale také by mohly zlepšit "nacpávání" informací do světla," říká doktor Parniak. Poznamenává, že tento nápad by mohl být využit i v telekomunikacích, kde se efektivnější ukládání a zpracování dat ve světle stává nezbytným.

Přestože již existují snahy o obejití limitů spektroskopie, vědci z Varšavské univerzity předvedli, jak toho dosáhnout zcela netradičním způsobem - s využitím řešení z kvantové informatiky. Protože tam, kde si klasická fyzika neví rady, nabízí kvantová fyzika někdy celé spektrum možností.

Fyzikové Varšavské univerzity sestrojili zařízení, které dokáže dosáhnout vysokého rozlišení ve spektroskopii (15 kHz, tedy čtyřicet částic na bilion) pomocí malého množství světla z určitého objektu. "Náš spektrometr překonává klasický limit s použitím dvacetkrát menšího množství fotonů než hypotetický tradiční spektrometr," říká Mateusz Mazelanik, "Je to však pozoruhodný úspěch, protože klasické zařízení s podobným rozlišením ve skutečnosti neexistuje."

Procesor, který byl sestrojen na Varšavské univerzitě, využívá k provádění výpočtů oblak několika miliard chlazených atomů rubidia umístěných ve vakuovém poli (atomy jsou viditelné pouhým okem - na fotografii - červená tečka ve fialové skleněné komoře na levé straně zařízení).

Pokud jsou atomy umístěny v magnetickém poli a osvětleny laserem, lze je řídit tak, aby prováděly určité logické operace, například zpracovávaly informace o spektru světla, kterým jsou osvětleny.

Při výpočtech se využívají kvantové efekty, takže výpočty ve "studeném atomovém mraku" nenahrazují běžné binární výpočty, ale přidávají novou úroveň kvality.

"Přišli jsme s nápadem, jak by se dal kvantový procesor využít k řešení konkrétních problémů ve spektroskopii," říká Dr. Michal Parniak. A zdůrazňuje, že až do této chvíle nebylo hledání praktických aplikací pro kvantové procesory a navrhování podobných zařízení s ohledem na unikátní řešení vůbec samozřejmé.

Zdrojem informací je Chemeurope.
Kredit obrázku: University of Warsaw

Pro kompletní informace si přečtěte celý článek.