Halkın gözünde bir kuantum bilgisayar
[Lieyun.com (WeChat ID :)] 2 Kasım raporu (derleme: Anna)
Kuantum bilgisayarların geliştirme yönü hala belirsiz, ancak ulusal hükümet ve birçok şirket için kuantum hesaplamanın araştırma yönü, kuantum üstünlüğü, kuantum üstünlüğü veya belirli görevleri tamamlama sürecinde geleneksel bilgisayarları aşabilen kuantum bilgisayarların avantajları değildir.
Dünya kuantum bilgisayarlar için rekabet ediyor. Son veriler, California'da bulunan Rigetti'nin bu oyunda lider konumda olduğunu gösteriyor ve hedefi bir yıl içinde 128 bitlik bir bilgisayar oluşturmak.
Qubit'ler, geleneksel bilgisayar bitlerinden çok daha güçlüdür. Geleneksel bilgisayarların bitleri "0" veya "1" dir. Ancak kübitler farklıdır, elektron spininden yararlanırlar ve aynı anda "0" ve "1" olabilirler. Kuantum bilgisayarların özelliklerinden biri, çeşitli sonuçlarla sistem arızalarını etkili bir şekilde tespit edebilmeleridir. Bu sistem hataları, kriptografik imha ve yol hatasından nöromorfik hesaplamaya ve moleküler modellemeye kadar her şeyi içerir. Science tarafından yayınlanan yakın tarihli bir makaleye göre, bazı endüstrilerin üstel bir ivme kazanması muhtemel.
Ama bunu söylemek için henüz çok erken. Kuantum bilgi teorisi çalışmalarında lider bir şirket olan IBM bile bu aldatmacadan bıkmış görünüyor. Tabii ki, IBM ayrıca kuantum bilgisayar teknolojisini ticarileştirmeyi umuyor. Rigetti ve D-Wave gibi IBM de kısa süre önce bulut kaynaklarını küresel girişimlere açtı.
Intelin kuantum bilgi işlem teknolojisi direktörü Jim Clarke, gerçek bir kuantum bilgisayar oluşturmak için hala aşılması gereken birçok engel olduğunu söyledi. "Kuantum bilgisayarları yaygınlaştırmak için bilim ve mühendislik alanlarındaki çeşitli problemlerin üstesinden gelmemiz gerekiyor." Dedi.
Intel bir çözüm bulduğuna inanıyor. Yakın zamanda bir kuantum çip yayınladı. Bu kuantum çipin boyutu çok küçüktür, silginin üzerine yerleştirilse bile düşmeyecektir. Çip, her biri kıldan bin kat daha küçük olan çok sayıda kübitten oluşur. Tipik bir süper iletken kuantum bilgisayarında, kübitler, çok düşük sıcaklıklara soğutulmuş süper iletken devrelerde bulunur. Intelin kristal içermeyen yongaları, kontrolü ve elde edilmesi kolay geleneksel bileşenlere, yani silikon yongalara dayanır. Bazı araştırmacılar, endüstrinin gelişimini teşvik eden geleneksel silikon yongaların kuantum bilgisayar geliştirmenin bir sonraki aşamasının anahtarı olacağını söyledi.
Princeton Üniversitesi fizik profesörü Jason Petta (Jason Petta), "Intel spin kübit çiplerinin geliştirme beklentileri konusunda çok iyimserim." Dedi. Kısa süre önce Nature dergisinde, ekibinin kuantum hesaplama çipleri aracılığıyla elektron spiniyle ilgili bilgileri nasıl başarılı bir şekilde aktardığını açıklayan bir makale yayınladı.
Petta'nın ekibi, insanlara verileri verimli bir şekilde işlemek için ışığı nasıl kullanacaklarını gösterdi. Mikrodalga alanlarını kullanarak atomlar (elektronlar) ve ışık (mikrodalga frekansı fotoğrafları) arasında belirli bir miktarda enerji alışverişi yapabilirler. Sonuç, basit ve programlanabilir bir sistemdir: tek bir elektronun kuantum kontrolü, bilgiyi bir santimetre uzaktaki başka bir kübite gönderebilir.
Peki silikon nerede rol oynayacak? Silikon spin tabanlı bir kuantum işlemci çalıştığında, iki parçacığın, elektronların ve fotonların birleştirilmesi gerekir. Ancak elektronikler izole edilmedikçe bu olmayacak. Bu nedenle, araştırmacılar çift kuantum noktası adı verilen bir tuzak talimatı oluşturdu: elektronları yüklerinin dönmesine izin verecek kadar uzun bir konumda tutabilen küçük bir silikon boşluktur.
Bu süreçte silikon anahtardır. Özel elektron spin-yörünge etkileşimlerini barındırma konusunda benzersiz bir yeteneğe sahiptir ve yalnızca elektrik kullanarak çalışabilir. Bu etkileşimler genellikle silikonda diğer malzemelere göre daha uzun sürer, ancak kontrol edilmesi de zor olabilir.
Petta ve ekibi, cihazın kendisindeki çekirdek de dahil olmak üzere parazit sorununu çözmek için bir dizi çift kuantum noktası benimsedi. Çift kuantum noktalarının etkisi, tek kuantum noktalarından daha iyidir, çünkü elektronlar dönme durumlarını ileri geri değiştirebilir, bu da iyi tasarlanmış bir bilgi alışverişi sürecinin sorunsuz ilerlemesini sağlar.
Petta, yeni araştırmanın silikon kuantum yongalarının seri üretilebileceğini gösterdiğini söyledi. İlgili kuantum hesaplama araştırmacıları da bundan yararlanabilir.
Petta, "Bir bilgisayarın temel kuantum devresi olarak, tek bir kübit, süper iletken kübit ile karşılaştırılabilir ve aynı zamanda katı hal yongaları alanındaki en doğrudan rakibimizdir" dedi.
Silikon kübitler, süper iletken kübitlerden yaklaşık bir milyon kat daha küçüktür ve bu da mühendislerin tek bir yonga üzerinde daha fazla kübit toplamasına olanak tanır. Clarke, bu ölçek avantajının kuantum bilgisayarların ölçeğini ve yolunu genişletmeye yardımcı olduğunu söyledi.
Clarke, "Henüz onaylanmasa da süperiletken kübit kullanmaktan daha kolay olacak" dedi.
Süper iletken kübitlere kıyasla silikon kübitlerin çalışma ortamının biraz daha yüksek bir sıcaklığa sahip olduğunu ekledi. "Bu, entegre devreleri kübit düzlemine daha yakın yerleştirmeniz gerektiği anlamına gelir. Bu şekilde, elektronik cihazları kontrol etmek için alan daha dar olacaktır." Dedi. Silikon çipler, ekipmanın daha hızlı çalışmasına yardımcı olmanın yanı sıra, bağımsız alan gerektiren ekipmanın minyatürleştirilmesini de teşvik edebilir.
Petta'nın makalesinde açıklanan cihaz sadece iki kübite sahiptir. Petta, kübitlerin boyutunu artırmanın uzun zaman alacağını söyledi. Laboratuarının şu anda üzerinde çalıştığı şey, dört kubitli bir cihaz.
"Gelecekte dokuz kübitli ekipmanı inceleyebilmeyi planlıyoruz, bu da bizi birkaç yılı alacak. Ve düzinelerce kübitten fazla ölçeği çok fazla mühendislik araştırması gerektiriyor." Dedi.
Intel, silikon kuantum hesaplama araştırmalarını yürüten başka bir ekiple, yani Hollanda'daki Delft Teknoloji Üniversitesi'ndeki Vandersypen laboratuvarı ile işbirliği yapmaktadır. Intel, bu araştırma projesine 10 yıl içinde 50 milyon ABD doları yatırım yapmayı taahhüt etti. Şirket, şirketin Oregon'daki genel merkezinin yakınında çip üretiyor ve çipleri kuantum araştırması için Delft'e gönderiyor.
Laboratuvar kısa süre önce "Nature" dergisinde kuantum algoritmalarını işleyebilen bir işlemci oluşturmak için silikonun nasıl kullanılacağını açıklayan bir makale yayınladı. Çift kuantum noktasından oluşan programlanabilir bir bilgisayar, silikon tabanlı bir cihazda çift kübit işlemci yarattılar. Grover arama algoritması olarak adlandırılan uyguladıkları bir algoritma, veritabanlarında geleneksel bilgisayarlardan daha hızlı bilgi madenciliği yapmasıyla bilinir.
Yine de, bu deneysel prosedürler, fabrika katında silikon tabanlı kuantum bilgisayarların seri üretimiyle eşitlenemez. "Büyük ölçüde, genel sıralı hesaplama yöntemini tasarlayan insanlarla çalışmasına gerek yok." Clarke, Petta ve Vandersypen tarafından açıklanan tipik çift kübitli cihaz örneklerinden alıntı yaptı.
Kübit ölçeğini genişletin
Geleceğin kuantum bilgisayarı bir kuantum işlemciden daha fazlası olacak, tıpkı şu anki bilgisayarın bir mikro işlemciden daha fazlası olması gibi. Seri üretim, kontrol elektroniğinden algoritmik mimariye kadar birçok hareketli parçaya dayanır.
Önemli teknik sorunlar çözülmeden kalır. Bu sorunlar o kadar karmaşık ki hiçbir zaman tamamen çözülemiyor. Örneğin, yeterince yüksek ve gerekli bir sadakati korurken iki kübiti etkileşime sokabilir misiniz? Bu iki kübiti etkileşime sokabilseniz bile, ya dört kübitse? Yada daha fazla?
Clarke, "Her kübitin kendine has özellikleri vardır." Dedi. % 90 aslına uygun kuantum cihazları bile seri üretilemez. Ancak, araştırmacılar hala bu sorunu çözmede ısrar ediyorlar. Bu yıl, bir ekip% 60'ın üzerinde bir doğruluk elde etmek için doğal silikon kullandı ve bir başka ekip yakın zamanda çift kübitlerin sadakatini yaklaşık% 95'e çıkarmak için izotopla zenginleştirilmiş silikon kullandı.
Petta, "Açıkçası,% 99'un üzerinde bir sadakate ulaşmak çok zaman ve enerji gerektiriyor, ancak büyüme trendi hala çok etkileyici." Dedi. "Çift kübitlerin aslına uygunluğunu iyileştirmek için hangi konulara sürekli dikkat etmemiz gerektiğini çok iyi biliyoruz."
Diğer bir sınırlama, elektronik cihazları kontrol etme hızıdır: spin kübitleri için yeterince hızlı değildirler.
Clarke, "Bu kübitler uzun süre var olmayacak" dedi. Büyük ölçekli sistemlerde çalışmak için çok kısa bir süre ısrar ediyorlar. İlgili araştırmacılar, yaşam desteği için kuantum karşılaştırmaları yapabilen, yani yaşam süresini uzatan algoritmalar önermelerine rağmen, gerçekten etkili olup olmadığı doğrulanmamıştır.
Petta, bir diğer önemli sınırlamanın da hammaddeler olduğunu vurguladı. Kimyasal saflık ve izotopik zenginleştirme açısından spin kuantumu çok yüksek saflıkta silikon gerektirir.
"Şu ana kadar, Birleşik Devletler spin kübitler ile ilgili materyalleri toplamak için büyük projelere destek vermedi. Sanırım yakında Amerika Birleşik Devletleri'nin spin kübitleri için gerekli malzemeler için çaba gösterdiğini göreceğiz." Dedi.
Washington, ABD her zaman kuantum bilgisayar teknolojisiyle ilgilenmiştir. ABD Enerji Bakanlığı geçtiğimiz günlerde ülke çapında 85 kuantum araştırma projesine 218 milyon dolar yatırım yapacağını duyurdu. Aynı zamanda Ulusal Bilim Vakfı, kuantum araştırmalarına 31 milyon ABD doları ayıracak. Petta'nın spin kübitleri üzerine araştırması da ABD Savunma Bakanlığı tarafından finanse edildi, çünkü Amerika Birleşik Devletleri bu kuantum bilgisayar yarışında güçlü bir rakip olan Çin'i yenmeye hevesli.
Kongrede bir tasarıyı geçirmek de daha fazla fon getirebilir. Temsilciler Meclisi, Ulusal Kuantum Girişimi Yasasını onayladı. Tasarı Senato tarafından onaylanırsa, yasa tasarısı önümüzdeki 10 yıl içinde kuantum bilgisayarlarla ilgili araştırmaları desteklemek için 1,3 milyar ABD doları sağlayacak.
Rigetti aynı zamanda, gerçek kuantum avantajını tam olarak gösterdiği için 128 bitlik sistemde uygulama geliştirebilen takıma 1 milyon dolarlık bir bonus sağlayacağını da belirtti. Genel olarak konuşursak, insanlar kuantum bilgisayarların geleneksel bilgisayarları gerçekten aşmak için en az 50 kübit kullanması gerektiğini düşünüyor.
Ancak tahmin, küçümsenmemesi gereken bir sorundur. Clarke, belirli bir bilgi işlem görevi için kuantum avantajı elde etmek için gereken kübit sayısının büyük ölçüde görevin kendisine bağlı olduğunu belirtti. Intel'de, kuantum hesaplamanın dahili savunuculuğu için örnek bir hedef olarak protein katlamayı kullandı, ancak diğer malzemeleri kullanarak görevleri tamamlamanın daha uzun süreceğine inanıyor.
"Kriptografinin çok karmaşık olduğunu düşünüyorum, bu nedenle birinci veya ikinci nesil kuantum bilgisayarların hayatlarımız üzerinde fazla bir etkisi olmayabilir" dedi. "Kuantum bilgisayarlar hayatlarımızı gerçekten değiştirecekse, bir milyon kübite ihtiyaç duyacak. Daha önümüzde uzun bir yol var."
