Quibits, czyli kwantowe bity na horyzoncie

Wśród wielu celów, jakie obecnie stawiają przed sobą naukowcy z Bell Labs, innowacyjnego zaplecza koncernu Alcatel-Lucent, najważniejsze obok rozwoju technologii optycznych i bezprzewodowych, nanotechnologii czy budowy hybrydowego układu scalonego (zintegrowanie na jednym obwodzie elektroniki i fotoniki), jest wyzwanie w postaci budowy skalowalnego komputera kwantowego - zasadniczo zmieniającego sposób myślenia o przetwarzaniu komputerowym.

Komputer kwantowy i Graphene zamiast krzemu

Naukowcy twierdzą, iż wyczerpują się powoli możliwości klasycznych komputerów. Aby budować i symulować molekuły, konieczne staje się sięgnięcie po mechanikę kwantową i budowa komputera kwantowego, który ma być teoretycznie 10 milionów razy szybszy od tych dostępnych dzisiaj. Kiedy powstaną - nikt nie potrafić dziś dokładnie odpowiedzieć, czy zajmie to 10, 15 czy 25 lat?

Quibits, czyli kwantowe bity na horyzoncie

Siedziba główna Bell Labs w Murray Hill, koło Nowego Jorku. Tutaj swój początek znalazły, takie wynalazki jak: tranzystor, ogniwa słoneczne czy system Unix.

Dyskusję nad przetwarzaniem kwantowym, oznaczającym interaktywność atomów, rozpoczęto w połowie lat 80. (David Deutsch z Oxford University); w 1994 r. Peter Shor opracował kluczowe protokoły kryptograficzne i w 1995 r. - kwantowe kody korekcji błędu. Kwantowy bit, tzw. kubit (quibit) jest kwantową superpozycją zera i jedynki. Cząstki elementarne (foton lub elektron) fizycy typują do pełnienia roli kubitów.

Ważnym etapem na drodze do budowy kwantowego komputera będzie wynalezienie odpowiednich materiałów. Wśród kilku ośrodków naukowych na świecie zajmujących się takimi badaniami, jest dział badawczy Bell Labs w Murray Hill pod Nowym Jorkiem, pracujący nad nową generacją półprzewodników. W wyniku procesu wyodrębniania pojedynczych molekuł z kryształu grafitu (trwa to ok. 20 min) powstaje materiał Graphene, składający się z sieci atomów węgla, ułożonych w jednej płaszczyźnie. Zespoły tranzystorów wykonanych przy wykorzystaniu tej technologii (łączy właściwości półprzewodników i metali) mają stanowić alternatywę dla obecnie stosowanych układów scalonych: elektrony będą mogły przemieszczać się w nich ponad 100-krotnie szybciej niż w tradycyjnych krzemowych układach. W procesie wydzielania Graphene wykorzystywana jest metoda osadzania za pomocą wiązek molekularnych MBE (Molecular Beam Epitaxy), stosowana zarówno do metali, półprzewodników, jak i izolatorów. Polega na wytwarzaniu w ultrawysokiej próżni (rzędu 10-10 Torra) strumieni atomów lub molekuł w postaci jednorodnych wiązek skierowanych na podłoże.

Quibits, czyli kwantowe bity na horyzoncie

Horst Störmer - noblista z fizyki z 1998 r.

Steve Simon, dyrektor działu fizyki informacji kwantowej i półprzewodników Bell Labs, podkreśla, że zastąpienie tradycyjnych elektronicznych półprzewodników stanie się uzasadnione, pod warunkiem możliwości zastosowania nowych materiałów na skalę przemysłową. Jedyne obecnie znane fizyczne systemy mające odpowiednie właściwości do topologicznego kwantowego przetwarzania, to systemy oparte na tzw. ułamkowym kwantowym efekcie Halla. Za odkrycie, iż elektrony pod wpływem silnego pola magnetycznego w ultraniskich temperaturach zachowują się jak układ mocno związanych ze sobą quasi-cząstek (tzw. ciecz kwantowa), Horst Störmer, związany z Bell Labs, a obecnie profesor na Columbia University, otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki w 1998 r. wraz z Robertem Laughlinem i Danielem Tsui.

EPIC - hybrydowy chip doskonały

Prowadzony w Bell Labs program EPIC, współfinansowany przez amerykańską wojskową agencję DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), ma na celu połączenie na jednym układzie scalonym elektroniki i fotoniki, co otworzyłoby drzwi do nowych architektur sieci optycznych. Najważniejsze obecnie zadanie to umieszczenie odpowiedniego filtra optycznego na krzemowym układzie scalonym. Ułatwiłoby to przełączanie optycznego sygnału pomiędzy różnymi formatami transmisyjnymi oraz docieranie sygnału optycznego bezpośrednio do domów, stwarzając ogromne możliwości korzystania z nowych aplikacji.

Quibits, czyli kwantowe bity na horyzoncie

Trzy optyczne filtry wyrównawcze, zajmujące 3 x 10 mm, wyprodukowane w całości na elektronicznej płytce krzemowej.

Pod koniec lutego br. ośrodek Bell Labs w Holmdel (New Jersey) poinformował o opracowaniu trzech nowych fotonowych układów scalonych, które umożliwiają uzyskanie przepływności 100 Gb/s przy wysokiej wydajności widmowej. Scalony odbiornik wykorzystujący modulację DQPSK jest ok. 1000 razy mniejszy od swoich poprzedników. Modulator z podwójną polaryzacją umożliwia przesyłanie dwóch oddzielnych strumieni danych, każdy o przepływności 40 Gb/s. Technika ta umożliwia dwukrotne zwiększenie przepustowości łącza bez zwiększania szerokości pasma. Modulator wytwarzający sygnał w formacie 16-QAM jest używany w systemach o bardzo wysokiej wydajności spektralnej.

Quibits, czyli kwantowe bity na horyzoncie

Prototyp mikroprojektora laserowego.

Optymalizacja sieci dzięki pająkom?

Sharad Ramanathan, częsty gość kalifornijskiego Instytutu Fizyki w Santa Barbara i współpracownik Bell Labs, zaciekawiony strukturą sieci pajęczej postanowił poszukać inspiracji w przyrodzie i podjął interdyscyplinarne badania polegające na obserwacji, analizie zachowań i technik używanych przez pająka przy budowie jego sieci. Analizując zapis wideo dokonany kamerą na podczerwień, doszedł do wniosku, że kluczowa w metodzie pracy pająka może być elastyczność (porównanie do dziecka skaczącego na trampolinie), pozwalająca na podstawie lokalnej informacji (węzła) właściwie oceniać stan sieci, usuwać słabe punkty i optymalizować całą strukturę. Naukowiec starał się znaleźć tutaj pewne analogie do pracy routera, którego głównym zadaniem jest stały monitoring stanu całej sieci, rozpoznawanie punktów, gdzie następują zatory i wreszcie przekierowywanie ruchu z pominięciem newralgicznych miejsc. Ponieważ każdy węzeł z każdym nie może stale się komunikować, nie powodując przeciążeń sieci, potrzebne jest nowe podejście. Sharad postanowił zoptymalizować pracę sieci poprzez stworzenie zaawansowanych algorytmów dla routera podejmującego decyzje routingu na podstawie informacji uzyskanych od każdego z sąsiadujących urządzeń, danych o miejscach zatorów i stanie całej sieci.

Quibits, czyli kwantowe bity na horyzoncie

Loren Pfeiffer i Ken West z Bell Labs przy swojej maszynie MBE do wytwarzania strumieni atomów lub molekuł w postaci jednorodnych wiązek.

Bell Labs - podstawowe fakty i najważniejsze wynalazki

- 25 tys. wdrożonych patentów od 1925 r.

- 6 noblistów fizyków

- 25 tys. naukowców i inżynierów prowadzących badania interdyscyplinarne

- Ponad 2,7 mld euro w inwestycje na R&D w 2007 r.

tranzystor (1947 r.), satelity komunikacyjne (1962 r.), matryca CCD (charge-coupled device - 1969 r.), system operacyjny Unix (1969 r.), laser (1958 r.), telefonia komórkowa (powstanie koncepcji: 1947; pierwsze próby 1978 r.), język programowania C++ (1983 r.)

Geograficzny SMS = GMS (Geographic Messaging Service)

Operatorów mobilnych Alcatel-Lucent chce zainteresować przygotowywaną w Bell Labs rozszerzoną wersją systemów SMS i MMS - usługą GMS (Geographic Messaging Service) - łączącą lokalizacyjne funkcje i przekazywanie informacji dotyczących danego regionu geograficznego. Otrzymywany GMS jest powiązany z aktualnym geograficznym położeniem abonenta usługi. Taka formuła pozwala pozostawiać i otrzymywać SMS lub MMS z informacjami dotyczącymi tylko zdefiniowanego obszaru geograficznego. Podstawę technologiczną GMS stanowi GeoFencing - mechanizm wykrywający, kiedy aparat komórkowy przekracza wirtualnie wyznaczoną granicę geograficzną. GMS może stać się właściwym mechanizmem do komunikacji peer-to-peer przy użyciu telefonów komórkowych. W pilotowym programie Geopepper.com bierze udział 2,7 tys. użytkowników. Po zapisaniu się uczestnicy mogą korzystać z usługi powiadamiania za pomocą SMS o aktualnej lokalizacji geograficznej członków zdefiniowanej grupy. Ośmiu specjalistów z oddziału bydgoskiego Bell Labs jest zaangażowanych w ten projekt społecznościowy.


TOP 200