majör! Kuantum hesaplama, kuantum simülasyonunda bir kilometre taşı oluşturarak, fizik araştırmalarında 2016 Nobel Ödülü'nü başarıyla kazandı
1970'lerin başında teorik fizikçiler Vadim Berezinskii, J. Michael Kosterlitz ve David Thouless, önemsiz olmayan topolojik özelliklerle karakterize edilen yeni bir madde durumu öngördüler. Bu çalışma 2016'da Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü.
Kanada Burnaby merkezli bir kuantum hesaplama sistemi ve yazılım şirketi olan D-Wave Systems'deki araştırmacılar, bu olguyu D-Wave 2000Q sistemini iki boyutlu yapay bir spin kafesi oluşturacak şekilde programlayarak gösterdiler. Tamamen programlanabilir 2048 kübit tavlama kuantum bilgisayarı, 2016'da Nobel Ödülü'nü kazanan topolojik bir faz geçişini simüle etti: Kosterlitz-Thouless faz geçişi.
Bu araştırma meslektaş incelemesinden geçtikten sonra, Nature dergisinde 22 Ağustos 2018'de yayınlandı. Bu çalışma, bu alanda önemli bir ilerlemeye işaret ediyor ve D-Wave'in tamamen programlanabilir kuantum bilgisayarının büyük ölçekli kuantum sistemlerinin doğru bir simülatörü olarak kullanılabileceğini bir kez daha kanıtlıyor. Aynı zamanda, bu çalışma daha düşük maliyet ve daha hızlı malzeme gerçekleştirme için bir temel sağlar.
Şekil | Nature, 22 Ağustos'ta D-Wave'in en son sonuçlarını yayınladı (Kaynak: Nature'ın resmi web sitesinden ekran görüntüsü)
" Nature'da yayınlanan bu çalışma, kuantum hesaplama alanında bir kilometre taşını temsil ediyor: bu, gerçek manyetik malzemelerin gerçekleştirilmesinden önce bir kuantum simülatöründe maddenin teorik olarak tahmin edilen durumunun ilk kez gerçekleştirilmesidir. . D-Wave Baş Bilimcisi Dr. Mohammad Amin, "Bu, kuantum simülasyonu hedefine ulaşmada önemli bir adımdır ve şu anda çok pahalı ve zaman alıcı olabilen laboratuvarda numuneler hazırlamadan önce insanların materyallerin özelliklerini incelemelerine olanak tanır. "
"D-Wave'in Kosterlitz-Thouless faz geçişinin kuantum simülasyonu heyecan verici ve etkili bir sonuçtur. Sadece kuantum manyetizmasındaki önemli sorunları anlamamıza yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda nasıl olduğunu da gösterir. Spin haritalama sistemi, Bu sistem, hesaplama problemlerini çözmede yeni ve etkilidir ve daha geniş uygulamalar için yeni olanaklar sağlar. Amerika Birleşik Devletleri Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'nda Bilim, Teknoloji ve Mühendislik Müdür Yardımcısı Dr. John Sarrao, "dedi.
Topolojik faz geçişinin ilk büyük ölçekli kuantum simülasyonu
Bu çalışmada D-Wave tarafından simüle edilen Kosterlitz-Thouless faz geçişi, film süperiletkenliği ve süperakışkanlık çalışması için çok önemlidir. Bu topolojik faz değişimi, Bose-Einstein yarı-kondensat gibi geleneksel yöntemlerle farklı fiziksel sistemlerde birçok kez gözlemlenmiştir. Bu topolojik faz geçişi, topolojik kusurlar, yani girdap akımlarının ve anti-eddy akımlarının varlığı ve etkileşimi ve açısal serbestlik derecelerine sahip bir sistemin serbest enerjisi üzerindeki etkileri açısından tanımlanabilir.
Bu çalışmada, yanal alan Ising modeli bu fenomenin gözlemlendiğini kanıtlamış ve kuantum modeli D-Wave işlemcisi tarafından tasarlanmış ve uygulanmıştır. Karşılık gelen klasik Ising modelinde, hiçbir topolojik fenomen yoktur çünkü dönme serbestlik derecesi yoktur. Kuantum dalgalanmalarındaki artış, "düzensizlikle sıra" adı verilen bir fenomen gibi sistemin özelliklerini tamamen değiştirebilir. Enine alan Ising modelindeki topolojik faz geçişi yalnızca teorik çalışma ve klasik simülasyonlarla tahmin edilebilir ve deneylerde asla kanıtlanmamıştır. Böyle bir manyetik kuantum sistemini programlamanın esnekliği, aşağıdaki şekilde gösterilen kafesteki fenomeni gerçekleştirmek için çok önemlidir.
Şekil | a, Enine manyetik alan Ising modelindeki topolojik özellikler. b, Sıcaklık ve enine manyetik alan açısından simülasyonla elde edilen kare-sekizgen kafesin faz diyagramı. (Kaynak: D-Wave / Nature)
D-Wave işlemcisi ve geleneksel simülasyonlar arasındaki tutarlılık, kuantum simülasyonlarının sonuçlarını güçlü bir şekilde doğrular ve aynı zamanda D-Wave'in büyük ölçekli kuantum modeli uygulamalarını uygulama yeteneğini de doğrular. Birçok simetrinin varlığından dolayı, sistem son derece hassastır ve hassas simülasyonu, kuantum simülasyonunda spin etkileşiminin yüksek sadakat kontrolü ve programlanabilirliğinde bir atılımı temsil eden 1800 kübit içerir. Bu simülasyonun karmaşıklığı ve programlanabilirliği ve D-Wave işlemcideki 2048 kübit üzerindeki 3B kafesin son simülasyonu, kuantum hesaplama alanındaki önceki sonuçları çok aşıyor.
D-Wave 2000Q sistemi, modern mikroelektronik teknolojisi ile entegre edilen ve işlenen 1.800 süper iletken akı kübitinden oluşur. Bu tür kübit ile klasik bit arasındaki en büyük fark, kuantum etkisine sahip olmaları ve aynı anda "0" ve "1" süperpozisyon durumunda olabilmeleridir.
Kuantum bilgisayarlar aslında araştırmacıların beklediği şekilde çalışıyorsa, insanlar özel işlevli süper iletkenler ve diğer malzemeleri üretmeden önce özelliklerini elde etmek için kuantum bilgisayarları kullanabilir ve gerekirse zamanında ayarlamalar yapabilir.
Şekil | D-Wave araştırılmış kare-sekizgen (a), üçgen geometrik engellenme yapısı (b). c, enine alan etkisi altında üçgen antiferromanyetik kafesin 6 klasik temel durumu ve 6 pertürbasyon yer durumu. Bu durumlar, karmaşık alandaki psödospinlerle eşleştirilebilir. (Kaynak: D-Wave / Nature)
Sürekli tartışmalardan parlak geleceğe
Kuantum hesaplama alanında sıcak bir konu olan D-Wave, 2011'de ilk kuantum bilgisayarı D-Wave One'ı piyasaya sürdüğünden beri tartışmalı bir konu. Bazı bilim adamları daha önce şunları söyledi: D-Wave'in kuantum bilgisayarının hesaplamalara ulaşmak için kuantum fenomenini gerçekten kullanıp kullanmadığı ve klasik bilgisayarlara göre avantajları olup olmadığı belirsiz.
2014 yılında, arXiv baskı öncesi web sitesinde yayınlanan bir makale, basit bir klasik modelin 108 kübit içeren D-Wave One'ın giriş ve çıkış davranışını açıklayabileceğini belirtti.
2015 yılında Google, D-Wave kullanan kuantum bilgisayarların belirli sorunları çözmede geleneksel bilgisayarlardan 100 milyon kat daha hızlı olduğunu iddia etti. Ancak daha sonra İsviçre, ETH Zürih'te profesör olan Matthias Troyer, deneysel kurulumdaki sorunun aslında "sıradan benzetilmiş tavlama için zor, ancak D-Wave'in kuantum tavlama algoritması için kolay olan bir sorun" olduğunu söyleyerek sorular yöneltti. Bu algoritmada küçük bir değişiklikle, D-Wave'in avantajı çok daha küçük hale gelir ve daha karmaşık bazı problemler için, sıradan bilgisayarlar D-Wave'den bile daha hızlıdır.
D-Wave'in konferanslar geliştirmek yerine yeniliklerini kanıtlamak için daha fazla akademik makale yayınlaması gerektiğini söyleyen eleştirmenler de var.
Dünyanın en iyi dergileri olan "Nature" ve "Science" 'da yayınlanan son iki D-Wave makalesi, bu eleştirmenlere güçlü bir yanıt verdi. Kendi ekipmanlarıyla iki çok farklı önemli fiziksel olguyu simüle ettiler.
Şekil | Tamamen programlanabilir bir tavlama kuantum bilgisayarı, 2016 Nobel Ödülü'nün arkasındaki fenomeni simüle ediyor. (Kaynak: D-Wave)
Geçen ay, D-Wave "Science" da yayınlanan bir makalede, D-Wave'in bilgi işlem ekipmanının kuantum sistemlerini simüle edebildiğine dikkat çekti. Makalede, D-Wave araştırmacıları bir kuantum sisteminin gevşeme modelini tasarlamaya çalıştı.Sistem ayarları, D-Wave bilgisayarının kendisi tarafından kullanılan hesaplama bit ayarlarına benzer. Bu, araştırmacıların kuantum sistemini kuantum faz geçişlerini incelemek için simüle etmelerini sağlayacak. Bu şu anda kuantum bilgisayarların en iyi performansı olmasa da, bu makale araştırmacıların ilgili kuantum sistemleri faz değişikliklerine uğradığında sistem parametrelerini ayarlamasına izin verdiğini gösteriyor.
Kuantum döndürme cam simülasyonunda farklı türdeki faz geçişlerini gösterdikten sonra, Son zamanlarda, Nature dergisinde yayınlanan yeni bir makale, iki boyutlu malzemelerin topolojik faz geçişini simüle etmek için 1800 kübit kullanıyor ve teorik tahminlerle iyi bir uyum içindedir. D-Wave araştırmacıları, bu fenomeni, D-Wave 2000Q sistemini yapay dönüşlerin iki boyutlu hayal kırıklığına uğramış bir kafesi oluşturacak şekilde programlayarak gösterdi. Kuantum etkisi yoksa simülasyon sisteminde gözlemlenen topolojik özellikler mevcut değildir. Bu tür topolojik teorik çalışma, 2016 yılında Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı ve bu mülk, gelecekteki malzeme bilimi, elektronik ve diğer disiplinlerde geniş gelişme beklentilerine sahip. Şimdi, D-dalgasının çalışması, bilim adamlarının veya mühendislerin, fizibiliteyi hesaplamak için süper bilgisayar üzerinde çok fazla zaman harcamak veya sıkı bir hazırlık yapmak için laboratuvara gitmeye gerek kalmadan fikirlerini D-Wave kuantum bilgisayarında kolayca doğrulamasına olanak tanıyor.
(Kaynak: YouTube ekran görüntüsü)
Bu iki makale birlikte, malzeme kuantum simülasyonu, optimizasyon ve makine öğrenimi gibi çeşitli görevlerde D-Wave kuantum bilgisayarının esnekliğini ve çok yönlülüğünü göstermektedir.
" Bu makale, temel olarak, diğer sistemlerde neredeyse imkansız olan, fiziksel sistem simülasyonunda büyük bir atılımı temsil etmektedir. "2016 Nobel Ödülü sahibi Dr. J. Michael Kosterlitz," Bu çalışma beklenen sonuçların çoğunu yeniden üretiyor. Bu dikkate değer bir başarı. Bu, gelecekteki kuantum simülatörlerinin daha karmaşık ve kötü anlaşılmış sistemleri keşfetmesine olanak tanır, böylece insanlar simülasyonun nicel sonuçlarının ayrıntılarına güvenebilir çünkü bu gerçek sistemin bir modeli. Bu simülasyon yönteminin gelecekteki uygulamalarını görmek için sabırsızlanıyorum. "
"Science and Nature'da bildirdiğimiz gibi, tamamen farklı iki kuantum simülasyonunu göstermek için aynı kuantum işlemcisini kullanma yeteneği, D-Wave kuantum bilgisayarının programlanabilirliğini ve esnekliğini gösteriyor." Çalışmanın ilk yazarı olan D-Wave'den Dr. Andrew King, " Bu programlanabilirlik ve esneklik, Richard Feynman'ın kuantum simülatörlerine yönelik orijinal vizyonunda iki temel faktördü ve gelecekte daha karmaşık tasarlanmış kuantum sistemlerinin davranışını tahmin etme olanağı sağladı. "
D-Wave kuantum hesaplamanın geleceği: asla klasik bilgisayarların yerini alması amaçlanmadı
"Nature" ve "Science" dergilerinde yayınlanan sonuçlar, çeşitli alanlarda pratik prototip uygulamalarında D-Wave ile birinci sınıf müşteriler ve ortaklar arasındaki sürekli işbirliğini teşvik etmiştir. Müşteriler, optimizasyon, makine öğrenimi, kuantum malzeme bilimi, ağ güvenliği vb. Kapsayan işlevlere sahip 70'den fazla prototip uygulaması geliştirdi. Birçok prototip uygulamasının sonuçları, ticari öncesi aşamadaki D-Wave sisteminin performans veya çözüm kalitesi açısından geleneksel hesaplamalara yaklaştığını ve bazen aştığını göstermektedir. D-Wave sisteminin ve yazılım işlevlerinin genişletilmesiyle, bu prototip uygulamaları, kuantum bilgisayarlarda üstel büyüme avantajları kazanma potansiyelini gösterecek.
Ancak, bu tür eleştiriler hala var olabilir: Bu kuantum simülasyonu yalnızca stokastik kuantum modelinin simülasyonunu gerçekleştirebilir ve klasik bilgisayarlar tarafından simüle edilebilecek aralığı gerçekten aşmaz. Elbette bu, bu kuantum simülasyonunun sonuçlarını doğrulamak için bir referans sağlar, ancak aynı zamanda kuantum simülatörünü de sınırlar. Bu konuya yanıt olarak, "Nature", D-Wave'in işlevlerinin iki şekilde daha da genişletilebileceğini yorumladı: Biri, kübit sistemi bozulduğunda olduğu gibi, dinamik dengesizlik etkilerinin kuantum simülasyonunu gerçekleştirmek. Ardından uyarmanın yayılmasını gerçekleştirin; ikincisi, geleneksel simülatörler tarafından simüle edilemeyen stokastik olmayan modelleri gerçekleştirmek için kübitler arasında başka türden programlanabilir etkileşim türlerini tanıtmaktır.
D dalgasının sonuçları gerçekten etkileyicidir, ancak bilgisayarları, çeşitli sorunları hızlandırabilen genel bir kuantum bilgisayarı değil, yalnızca belirli belirli sorunları hızlandırabilir. Ancak yılın başında EmTech China Global Emerging Technology Summit'te konuğumuz olarak D-Wave CEO'su Vern Brownell şunları söyledi: Kuantum bilgisayarların amacı klasik bilgisayarların yerini almak değil, onlarla bir arada var olmak ve belirli belirli problemlerde kendi avantajlarını göstermektir.
Şekil | D-Wave CEO'su Vern Brownell, EmTech China'da bir konuşma yapıyor (Kaynak: MIT Technology Review)
Gelecekteki uygulamalar karşısında Vern Brownell, yılın başında EmTech'te Bay DT'ye, mevcut D-Wave kuantum tavlama teknolojisinin uygulama sınırlamaları olduğunu, ancak geliştiricilerin, belirli bir ölçüde artmış olmasına rağmen, tasarım uzantısını artırmak için çok çalıştıklarını söyledi. Karmaşıklık, ancak gelecekte kuantum hesaplamanın uygulama genişliğinde, Intel ve IBM gibi şirketler tarafından geliştirilen Gate-Model veya TopoLogical mimarisi ile karşılaştırılabilir. Ancak Vern Brownell, ekolojik yönetimin kademeli olduğunu, özellikle yeni bilgi işlem mimarisinin yönetiminde tek adımda başarıya ulaşmanın zor olduğunu vurguladı.
