Mensen creëren veel gegevens in het digitale tijdperk, of het nu gaat om alledaagse items zoals posts op sociale media, e-mails en Google-zoekopdrachten, of meer complexe informatie over gezondheid, financiën en wetenschappelijke bevindingen.

De International Data Corp. meldde dat de wereldwijde datasfeer 33 zettabytes bevatte, of 33 biljoen gigabyte, in 2018. Tegen 2025, ze verwachten dat dat aantal zal groeien tot 175 zettabytes. 175 zettabytes aan informatie opgeslagen op dvd's zou genoeg dvd's vullen om 222 keer rond de aarde te cirkelen.

Hoewel kwantumcomputing is aangeprezen als een manier om op intelligente wijze big data te sorteren, kwantumomgevingen zijn moeilijk te creëren en te onderhouden. Verstrengelde kwantumbittoestanden, of qubits, duren meestal minder dan een seconde voordat ze instorten. Qubits zijn ook zeer gevoelig voor hun omgeving en moeten bij cryogene temperaturen worden bewaard.

In een paper gepubliceerd in Communicatiefysica , onderzoekers van de afdeling Materials Science and Engineering van de Universiteit van Arizona hebben aangetoond dat akoestische golven in een klassieke omgeving het werk van kwantuminformatieverwerking kunnen doen zonder de tijdsbeperkingen en kwetsbaarheid.

"We zouden ons systeem jaren kunnen laten draaien, " zei Keith Runge, onderzoeksdirecteur bij de afdeling Materials Science and Engineering en een van de auteurs van het artikel. "Hij is zo robuust dat we hem mee naar buiten kunnen nemen naar een beurs zonder dat hij er last van heeft - eerder dit jaar, we deden."

Onderzoeksassistent-professor materiaalkunde en techniek Arif Hasan leidde het onderzoek. Andere co-auteurs zijn onder meer MSE-onderzoeksassistent-professor Lazaro Calderin; student Trevor Lata; Pierre Lucas, hoogleraar MSE en optische wetenschappen; en Pierre Deymier, afdelingshoofd MSE, lid van het Graduate Interdisciplinair Programma toegepaste wiskunde, en lid van het BIO5 Instituut. Het team werkt samen met Tech Launch Arizona, het kantoor van de UA dat uitvindingen uit onderzoek commercialiseert, om hun apparaat te patenteren en onderzoekt commerciële wegen om de innovatie naar het publiek te brengen.

Kwantumsuperpositie

Bij klassieke informatica, informatie wordt opgeslagen als 0s of 1s, op dezelfde manier moet een munt op kop of munt landen. Bij kwantumcomputers, qubits kunnen in beide toestanden tegelijkertijd worden opgeslagen - een zogenaamde superpositie van toestanden. Denk aan een munt in evenwicht op zijn kant, zo snel ronddraaien dat zowel de kop als de staart tegelijk lijken te verschijnen.

Wanneer qubits verstrengeld zijn, alles wat er met de ene qubit gebeurt, heeft invloed op de andere via een principe dat niet-scheidbaarheid wordt genoemd. Met andere woorden, gooi een draaiende munt op een tafel en een andere draaiende munt op dezelfde tafel valt naar beneden, te. Een principe dat niet-lokaliteit wordt genoemd, houdt de deeltjes met elkaar verbonden, zelfs als ze ver van elkaar verwijderd zijn:gooi een draaiende munt om, en zijn verstrikte tegenhanger aan de andere kant van het universum valt naar beneden, te. De verstrengelde qubits creëren een Bell-staat, waarin alle onderdelen van een collectief door elkaar worden beïnvloed.

"Dit is de sleutel, want als je slechts één qubit manipuleert, je manipuleert de hele verzameling qubits, "Zei Deymier. "In een gewone computer, je hebt veel stukjes info opgeslagen als nullen of 1s, en je moet ze allemaal aanpakken."

Van licht naar geluid

Maar, als een munt die op zijn rand draait, kwantummechanica is kwetsbaar. De handeling van het meten van een kwantumtoestand kan ervoor zorgen dat de link instort, of decohere - net zoals het maken van een foto van een draaiende munt betekent dat je slechts één kant van de munt moet vangen. Daarom kunnen qubit-statussen slechts voor korte perioden worden gehandhaafd.

Maar er is een manier om het gebruik van kwantummechanica voor gegevensverwerking te omzeilen:optische wetenschappers en onderzoekers op het gebied van elektrotechniek en computertechnologie hebben het vermogen aangetoond om systemen van fotonen te creëren, of eenheden van licht, die niet-scheidbaarheid vertonen zonder niet-lokaliteit. Hoewel niet-lokaliteit belangrijk is voor specifieke toepassingen zoals cryptografie, het is de niet-scheidbaarheid die van belang is voor toepassingen zoals kwantumcomputing. En deeltjes die niet te scheiden zijn in klassieke Bell-toestanden, in plaats van verstrikt te raken in een kwantumbeltoestand, zijn veel stabieler.

Het materiaalwetenschaps- en engineeringteam is hierin nog een stap verder gegaan door voor het eerst aan te tonen dat klassieke niet-scheidbaarheid kan worden toegepast op akoestische golven. niet alleen lichtgolven. Ze gebruiken phi-bits, eenheden die bestaan ​​uit quasi-deeltjes, fononen genaamd, die geluids- en hittegolven uitzenden.

"Lichtlasers en enkele fotonen maken deel uit van de veldfotonica, maar geluidsgolven vallen onder de paraplu van phononics, of de studie van fononen, "Zei Deymier. "Naast stabiel te zijn, klassiek verstrengelde akoestische golven zijn gemakkelijk om mee te werken en te manipuleren."

complexe wetenschap, Eenvoudige hulpmiddelen

De materialen om zo'n complex concept te demonstreren waren eenvoudig, inclusief drie aluminium staven, genoeg epoxy om ze te verbinden en wat elastiekjes voor elasticiteit.

Onderzoekers stuurden een golf van geluidstrillingen langs de staven, vervolgens volgden twee vrijheidsgraden van de golven:in welke richting de golven langs de staven bewogen (vooruit of achteruit) en hoe de staven ten opzichte van elkaar bewogen (of ze in dezelfde richting en met vergelijkbare amplituden zwaaiden). Om het systeem in een onscheidbare toestand te brengen, ze identificeerden een frequentie waarop deze twee vrijheidsgraden met elkaar verbonden waren en stuurden de golven op die frequentie. Het resultaat? Een Bell-staat.

"Dus, we hebben een akoestisch systeem dat ons de mogelijkheid geeft om deze beltoestanden te creëren, "Zei Deymier. "Het is de volledige analoog aan de kwantummechanica."

Door aan te tonen dat dit mogelijk is, is de deur geopend naar het toepassen van klassieke onscheidbaarheid op het opkomende gebied van fononics. Volgende, de onderzoekers zullen werken aan het vergroten van het aantal vrijheidsgraden dat klassiek verstrengeld kan worden - hoe meer, des te beter. Ze willen ook algoritmen ontwikkelen die deze niet-scheidbare toestanden kunnen gebruiken om informatie te manipuleren.

Zodra het systeem is verfijnd, ze zijn van plan het formaat aan te passen van het tafelblad tot op de microschaal, klaar voor gebruik op computerchips in datacenters over de hele wereld.