Kuantum hesaplamayı başarmak için başka ne yapmamız gerekiyor?
Bitirme | Jiang Baoshang
2019, kuantum bilişimin haberlerin en önemli noktasını işgal ettiği yıl. Ocak ayından itibaren IBM, dünyanın ilk ticari kuantum hesaplama prototipini duyurdu ve Google, Eylül ayına kadar dünyanın ilk "kuantum hegemonyasını" duyurdu.
Bu yıl kuantum hesaplama tarihinde bir kilometre taşı olacak, çünkü kuantum hesaplama çağının geleceği anlamına geliyor.
Kuantum hesaplama bizden ne kadar uzakta? Büyük ölçekli ticari kullanıma ulaşmak ne kadar sürer? Teknolojinin şu anki durumu nedir?
28 Mart'ta, CCF YOCSEF genel merkezinin AC üyesi Tao Yaodong başkanlığında, genel merkezin aday akademik sekreteri, Pekin Jiaotong Üniversitesi Endüstriyel İnternet Güvenliği Araştırma Merkezi direktörü, CCF YOCSEF genel merkezi AC üyesi ve Pekin Jiaotong Üniversitesi Bilgisayar ve Bilgi Teknolojisi Okulu'ndan Profesör Wang Wei, CCF YOCSEF (Young Computer Science and Technology Forum of China Computer Society), "Kuantum bilgisayarlar bizden ne kadar uzakta?" Konulu bir çevrimiçi forum düzenledi. Bu konuda, Hefei Origin Quantum Computing Technology Co., Ltd.'den Dr. Zhang Hui. Geliştirmeye Genel Bakış ve Uygulama Beklentileri "raporu. Tencent Quantum Lab'den Dr. Zheng Yarui, "Kuantum hesaplamayı gerçekleştirmek için başka ne yapmamız gerekiyor?" Üzerine bir rapor verdi ve Tsinghua Üniversitesi'nde yaşam doçenti olan Kihwan Kim (Jin Qihuan) "Tuzaklanmış İyonlarla Kuantum Hesaplama" üzerine bir rapor verdi.
Sun Yat-sen Üniversitesi Veri Bilimi ve Bilgisayar Fakültesi'nden Profesör Li Luzhou ve Ulusal Savunma Teknolojisi Üniversitesi'nden Dr. Qiang Xiaogang da özel davetli olarak konuşmalar yaptılar. Tianjin Teknoloji Üniversitesi'nden Profesör Luo Xun ve People's Posts and Telecommunications Press'in kıdemli planlama editörü He Ruijun, çevrimiçi başkan olarak görev yaptı.
AI Technology Review, "Geliştirmeye Genel Bakış ve Kuantum Bilgisayarların Uygulama Beklentileri" raporunu yayınladı ve şimdi de Tencent Quantum Lab'den Dr. Zheng Yarui "Kuantum hesaplamayı başarmak için başka ne yapmamız gerekiyor? "Rapor da düzenlendi ve şimdi yayınlandı, lütfen keyfini çıkarın ~
Zheng Yarui: Doktora, Çin Bilimler Akademisi Fizik Enstitüsü'nden mezun oldu. Ana araştırma alanı süper iletken kuantum hesaplamadır. Süper iletken kuantum yongalarının tasarımı ve simülasyonu, kuantum yongalarının mikrofabrikasyonu, yüksek hassasiyetli kübit kontrolü, yüksek hassasiyetli kübit okuma, kuantum birleştiriciler, hibrit kuantum sistemleri vb. Konusunda uzun yıllara dayanan araştırma deneyimine sahiptir. Şu anda Tencent Quantum Lab'da kuantum teknolojisinin geliştirilmesini ve uygulanmasını teşvik etmeye adanmış donanım başkanıdır.
Raporda Dr. Zheng Yarui, kübitlerin ölçüm ve kontrol doğruluğu, kuantum hata düzeltmesi ve NISQ gibi kuantum bilgisayar geliştirmenin temel konularını tanıttı ve kuantum alanının sürdürülebilir gelişimi hakkındaki görüşlerini paylaştı.
1. Kuantum bilgisayarlar ne zaman pratik kullanıma girecek?
Dr. Zheng Yarui, kuantum bilişimin gerçekten değerli bir ticari inişe ulaşmasının en az on yıl alacağına inanıyor. Google'ın 10 yıl içinde 1 milyon kübite ulaşma iddiası aslında biraz radikal, ancak Google'ın güçlü gücü düşünüldüğünde, 10 yıl içinde göz ardı edilmiyor. Gerçekleşme olasılığı.
2018'de IBM, "Kuantum hacminin" her yıl ikiye katlanabileceğini iddia etti. Kuantum hacmi, efektif kübit bit sayısına eşdeğerdir. Görevlerin ikiye katlanması, Google'ın on yılda 10 milyon bitine çok yakındır.
Honeywellin performansı her yıl on kat artırma propagandası, Google ve IBMden daha radikaldir. On yıllık bir boyutta hesaplanırsa, Honeywellin performans artışı muhtemelen 10 milyar kattır, bu da biraz fazla reklamdır.
Klasik bilgisayarlar, hesaplamalar için 0 ve 1'i temsil etmek için yüksek ve düşük voltajları kullanır.Kübitlerde, hesaplamalar için kuantum durumları kullanılır. Kübitin kendisi, kuantum mekaniğinin üst üste binme ilkesini izler.Bir kübit, 0 ve 1'in üst üste binme durumunda olabilir ve N kübit aslında 2 ^ N kuantum üst üste binme durumunda olabilir. Bu nedenle, kuantum durumlarının sayısı, kübit sayısıyla katlanarak artar.
1980'de Profesör Feynman şu soruyu gündeme getirdi: Kübitlerin sayısı arttıkça karmaşıklıkları katlanarak artar Kuantum mekaniği kuantum mekaniğindeki bazı problemleri hesaplamak için doğrudan kullanılabilir mi? Kuantum hesaplama kavramı o zamandan beri yavaş yavaş daha sistematik bir disipline dönüştü.
2. Kuantum bilgisayar nasıl yapılır
Kuantum bilgisayar nasıl yapılır? Üç gereksinim vardır, Önce Qubits Sonra, yüksek doğrulukta bir kuantum işlemi var , Sözde kuantum işlemi, klasik bilgisayarlardaki NOT kapıları, NAND geçitleri ve OR kapıları gibi temel geçit işlemleri ile karşılaştırılabilir. Son olarak, algoritmayı yürütmek için hesaplama için yeterli kübite ihtiyaç vardır.
Bu üç soru basit görünüyor, ancak yapılması kolay değil. Öncelikle kübit olarak hangi malzemeler kullanılabilir? Şimdi insanlar, ultra soğuk atomlar, iyon tuzakları, fotonlar ve süper iletken kübitler dahil olmak üzere, tümü kuantum hesaplama için kullanılabilen birçok kuantum hesaplama taşıyıcısını ortaya çıkardı. Bu sistemlerin kendi avantajları ve dezavantajları vardır.Şu anda hangi sistemin kuantum hesaplamayı nihayet gerçekleştirebileceği bilinmemektedir.Ancak, süperiletken kübitler ve iyon tuzakları şu anda nispeten hızlı gelişmektedir.
Süper iletken kübitlerin en önemli avantajı, yapılarının bir devreye benzer olması ve büyük ölçekli kübit sistem üretimini hızlı bir şekilde gerçekleştirmeye yardımcı olmak için geleneksel entegre devre teknolojisini kullanabilmesidir.
Bu teknoloji son yıllarda son derece hızlı gelişti IBM ve Google'ın araştırmalarından ödünç alarak, yukarıdaki soldaki resimden süperiletken kübitlerin eş-evreli olma süresinin yaklaşık iki ila üç yıl içinde iki katına çıkacağını görebilirsiniz. Şimdi tüm kübitin performansı da daha iyi On yıl önce çok daha iyiydi. 2005 yılında, eş evreli olma süresi hala 1 mikrosaniye düzeyindeydi ve şimdi kübitlerin eş evrelendirme süresi birkaç yüz mikrosaniyedir. Bit sayısı da çok hızlı artıyor.
Google 2019'da 53 kübitlik bir çip çıkardı. Aslında 2017'de Google zaten 72 bitlik bir kuantum çipine sahipti. 72'ye kıyasla 53 sayısı artmış gibi görünmüyor, ancak karmaşıklık eskisinden çok arttı. Bir dereceye kadar 53 kübit, 100 bitin üzerindeki yonga seviyesine ulaşabilir.
Eş evreli olma süresi ve kübit sayısına ek olarak, süperiletken kübit geçidi işleminin doğruluğu çok yüksektir. 2014'te% 99,4'e ulaştı. Google'ın en son kuantum çipi, muhtemelen% 99,6 gibi daha yüksek bir doğruluğa sahip olacak. , Hata düzeltme eşiği aşıldı.
Geriye dönüp baktığımızda, bir kuantum bilgisayar nasıl yapılır? Her şeyden önce, kübitlere sahip olmalıyız ve sonra yüksek kaliteli kuantum işlemlerine ve yeterli kuantum sistemlerine sahip olmalıyız. Süperiletkenlik genellikle bu üç gereksinimi karşılamıştır ve bu teknoloji de bir eşiğe ulaşmıştır.
3. Kuantum bilgisayarların gelişim yolu
Yukarıdaki resim IBM'den alınmıştır ve kuantum hesaplamanın arkasındaki olası yolu göstermektedir. Tüm karenin alttan üste üst üste binmesine bakıldığında, alt katman, fiziksel düzeyde bir kavram olan Fiziksel Kuantum İşlemci'dir. Kuantum çipleri önce kübitlere sahip olmalı, ardından nasıl kontrol edileceğini çalışmalı ve sonra kübitleri okumalıdır. Okuma ve kontrol nispeten yüksek bir doğruluğa ulaştıktan sonra, kuantum sisteminde Kuantum Hata Düzeltmesi, yani kuantum hata düzeltmesi yapılır.Bu işlemin temel amacı, kuantum sistem kontrolünün doğruluğunu daha da iyileştirmektir.
Aslında, kuantum algoritmalarının pratik uygulamasını gerçekleştirmek için kontrol doğruluğunun% 99'undan fazlası yeterli değildir. Ama bilim adamları çok akıllılar, yüksek kaliteli kapıları doğrudan yapmak kolay olmadığına göre neden çok kübit kullanmayalım? Sözde kuantum hata düzeltmesi, toplam eşdeğer kuantum işleminin nihayetinde nispeten yüksek bir aslına uygunluğa ulaşılmasını sağlamak için klasik bilgisayar hatası düzeltme kavramına atıfta bulunur.
Bu temelde, çok yüksek sadakatli kuantum işlemleri elde etmek için çok sayıda kübit kullanılabilir ve değerli kuantum algoritmalarını uygulamak için daha fazla kübit kullanılabilir.Bu, mantıksal düzeyde bir kuantum işlemcisi olan Mantıksal Kuantum İşlemcisidir. Mantıksal düzeyde bir atılım gerektiren teknoloji, fiziksel düzeyde kuantum işlemci ile aynıdır, kontrol edilmesi ve okunması gerekir ve sonunda değerli kuantum algoritmaları gerçekleştirilebilir.
Nihai hedef perspektifinden bakıldığında, kuantum hesaplama uygulamalarının uygulanmasını sağlamak için teorik olarak 1 milyon kübite ulaşmak gereklidir.Bu sayı kuantum hata düzeltmesi için kullanıldıktan sonra yaklaşık 1.000 mantıksal kübitlik bir ölçek oluşturacaktır. İniş uygulamaları için yeterli.
Veri açısından bakıldığında, tek bit geçidin% 99,99 doğruluk elde etmesi, çift bit geçidin% 99,9 doğruluğa ulaşması ve okumanın da çok yüksek doğruluk elde etmesi gerekir.
Şu anda, çift bitli kapı% 99,4'e ulaşabilir ve aslına uygunluk, algoritma inişinin hedefine çok yakındır. Bir sonraki önemli soru şudur: Bit sayısını artırırken, kübit geçidinin aslına uygunluğunun azalmamasını sağlayın Bu aynı zamanda mevcut akademik çevrelerin ana araştırma odağıdır.
4. İkili bit sayısı ve aslına uygunluk problemi nasıl çözülür?
Bu iki problem teknik açıdan nasıl çözülür?
Süperiletken kübitlerin bakış açısından, süperiletken devrelerin dönüşüm sürecini gözlemleyin. Yukarıdaki şeklin sol tarafı basit bir şematik diyagramdır.Çizgiler süperiletken çizgiler olarak düşünülebilir.Devre altında bir halka vardır ve halka üzerinde iki küçük sarı kare vardır.Bu iki küçük kareye Josephson düğümleri adı verilir ve kullanılabilir SQUID adında bir süper iletken kuantum girişim cihazı oluşturun.
Yukarıdaki resmin sağ tarafında, bu dağ zirvesinde etrafta yuvarlanan bir parçacık sistemi olarak düşünülebilecek iki küçük dağ zirvesi görüyorsunuz. Bu sistemi nicelleştirdikten sonra, kullanılabilecek bir dizi bölünmüş enerji seviyesine bölünebilir. Bu enerji seviyeleri kuantum işlemleri gerçekleştirir.
Kuantum işlemlerinin kontrol edilmesi ve okunması gerekir. Okuma, yukarıdaki resimde görülen sarı işarettir (Re-out), kübitin durumunun bir giriş satırı ve bir çıkış hattı üzerinden okunabileceği düşünülebilir.
Tek bir bit için devre yapısı çizmek kolaydır, ancak bir sıra varsa, kişi yalnızca basılı devrenin yapısından öğrenebilir ve bir sıra kübit tasarlayarak çeşitli kuantum hesaplama çalışmaları yürütebilir.
Açıktır ki, tek sıralı yapı fiili uygulama gereksinimleri için uygun değildir ve iki boyutlu bir dizi yapısı da gereklidir Ancak, iki boyutlu dizi yapısında kübitin kontrol çizgisi ve okunması zordur.
Kübit sayısındaki artışın darboğazlarla karşılaşmasının nedeni de budur. Bu sorunu çözmek için temel fikir, boyutsal kablolama olasılığını artırmaktır.
2014 yılında Google, kablolamayı sağlamak için iki yongayı birbirine bağlamak için geleneksel yarı iletken sürecinden (Flip-Chip işlemi, flip-chip lehimleme) yararlanarak bu fikri çoktan elde etti. Yukarıdaki resmin sağ üst köşesi, Google'ın Sycamore işlemcisidir ve iki yongadan oluşur. Üst yonga bit ve alttaki yonga ise kablolamadır. Bu şekilde Google, iki boyutlu bit dizisinin kontrolünü ve okumasını gerçekleştirmiştir.
Bu konsept daha da geliştirilebilir, sadece iki yonga ile sınırlı kalmaz, birçok yonga katmanı birbirine bağlanabilir, bu çok katmanlı istifleme teknolojisidir, MIT Lincoln Lab de bu teknolojiyi hayata geçirmiştir. Bu nedenle, bu tür teknolojik atılımlar temelinde, kablolama, bit sayısının artmasının önünde bir engel oluşturmayabilir.
Diğer bir sorun, bit geçidi işleminin doğruluğunun nasıl geliştirileceğidir. Şu anda, bit geçidinin işlem doğruluğu, eş evreli olma süresi ile sınırlıdır Basitçe ifade etmek gerekirse, bu problem, kübitin tutarlılık süresini arttırırken, bit sayısının nasıl artırılacağına çevrilmiştir.
Araştırmaya göre, süperiletken kübitlerin uyumsuzluğunun esas olarak TLS'den etkilendiği düşünülebilir.TLS iki seviyeli bir sistemdir.Süper iletken kuantum çipinin substratı ve yüzeyi, yarı kararlı bir durum oluşturabilen bazı safsızlık kusurlarına sahip olabilir veya Yarı seviyeli sistemler, süper iletken kübitlerin çalışmasına müdahale edecektir. Süperiletken kübitlerin uyumsuzluğunun iyileştirilmesi, kusurların ve safsızlıkların giderilmesini gerektirir Süper iletken kuantum çip devresi ne kadar temiz yapılırsa, eş evreli olma performansı o kadar iyi olur.
Bu nedenle, temel nedenden malzeme ve süreçler açısından iyileştirmeler yapılması gerekmektedir. Süper iletken kuantum hesaplamanın gelişimi perspektifinden bakıldığında, endüstri malzemelerde pek çok yenilik ve iyileştirme yaptı ve eş evreli olma süresi iki ila üç yıl içinde iki katına çıktı.
Süperiletken kübitler ilk ortaya çıktığında, maddi sorunun farkında değildiler. Süperiletken kübitler çok geç ortaya çıktığı için şimdiye kadar sadece 21 yıllık bir geçmişe sahip. Bu yıl, süperiletken kübitlerin keşfinin 21. yılıdır. Eş evrelemenin performansı, malzemelerin ve işlemlerin güncellenmesine bağlı olarak bir mikrosaniyenin altından iki veya üç yüz mikrosaniyeye hızla yükselmiştir.
İlk kübitler çok geleneksel malzemeler kullanıyordu ve yarı iletkenlerde sıklıkla kullanılan malzemeler de kübitlerin seçimiydi, ancak eş evreli olmayan performans nispeten zayıftı, bir mikrosaniyeden azdı. Bu nedenle, araştırmacıların süper iletken kuantum hesaplama konusunda yüksek umutları yoktu.
Bu nedenle, o zamanki fikir temel araştırma yapmak ve kuantum mekaniğinin temel problemlerini incelemekti.Kuantum hesaplama için kullanılıyorsa hala bir boşluk var.
2007'de araştırmacılar bir kapasitör yapısını değiştirdiler. 2013 ve 2014'te Google, tasarımda bazı güncellemeler de dahil olmak üzere birçok teknolojik yeniliği ortaya koydu. Eşevresizlik süresi hızla yüzlerce mikrosaniye düzeyine yükseldi. Bu yıl, bazı bilim adamları tantal gibi yeni malzemeler icat ettiler ve bu da bitlerin ayrışma süresini yüzlerce mikrosaniye mertebesine yükseltebilir.
Bu araştırmacılar için çok cesaret vericidir Süper iletken kuantum hesaplamanın geliştirme süresi kısa olmasına rağmen, 21 yıllık geliştirme döneminde çok hızlı bir ilerleme kaydetmiştir. Şu anda, yeni teknoloji ve yeni malzemeler darboğaza ulaşmamıştır Örneğin, devrenin yüzeyini daha temiz hale getirmek için ultra yüksek vakumlu paketleme kullanılabilir.
Araştırmacılar, süperiletken kübitlerin uyumsuzluk süresindeki artış konusunda daha iyimserler ve milisaniye düzeyine yükselmenin sorun olmayacağını umuyorlar.
Milisaniye kavramı nedir? Bu, tek bir kübitin 59'luk (% 99,999) bir aslına uygunluk elde edebileceği ve bir çift bitin 49'luk (% 99,99) bir aslına uygunluğa ulaşabileceği anlamına gelir.
Şu anda bilinen kuantum algoritmalarına göre, gerçekten pratik uygulama değeri üretmek için 1 milyon bitlik ölçeğe ihtiyaç var. 1 milyon bit çok uzak. Bu hedefe ulaşmak için en az on yıla ihtiyaç olacak. On yıllık teknolojik atılımların endüstrinin gelişimine katkıda bulunacağı umuluyor. Çok elverişsiz.
Araştırmacılar şöyle düşünüyordu: 100 ila 1000 ölçekli kuantum çipleri değerli uygulamalara ulaşabilir mi? Yukarıdaki şekildeki mavi 2 alanı, Google kuantum üstünlüğünü belirlediğinde elde edilmiştir. 2'den 3'e geçmek Google için bir sonraki adım olabilir. Google, 2 ile 3 arasında yeni bir uygulama olarak tanımlıyor, asıl amaç 2 ile 3 arasında değerli uygulamaları bulmaya çalışmak.
5. Kuantum hesaplama ve klasik hesaplama birlikte çalışabilir
İnsanlar genellikle yukarıdaki resmi kuantum hesaplamayı klasik hesaplamayla karşılaştırmak için kullanırlar. Google bazen kuantum bilgisayarlar gibi geleneksel süper bilgisayarlara meydan okuyan kavramlar üzerine spekülasyon yapar.
Şu anda, geleneksel süper bilgisayarlar çok güçlü, şu anda sahip olduğumuz kuantum bilgisayarların yeteneklerinden çok daha güçlü.
Çatışmacı bir bakış açısıyla, kuantum bilgisayarlar on yıl içinde umutsuz olabilir. Başka bir açıdan düşünürseniz, kuantum hesaplamanın amacı klasik bilgisayarların avantajlarına meydan okumak değil, işbirliği yapmaktır. Yalnızca klasik bilgisayarlara güvenme şeklindeki önceki ikilemden kurtulup kurtulamayacağımız, gerçekten düşünmemiz gereken yöndür.
Kuantum hesaplama alanı nasıl daha da geliştirilir?
Birincisi, temel anahtar konu, kübit ölçümü ve kontrolünün doğruluğunu iyileştirmektir;
İkinci olarak, kuantum hata düzeltme, kuantum bilgisayarların kullanımında önemli bir adımdır;
Üçüncüsü, 1 milyon kübit gerçekleştirmeden önce, 100 ile 1.000 kübit arasında NISQ araştırması yapılmalıdır.Şu anda prototip ilhamına ihtiyaç vardır;
Dördüncüsü, kuantum alanında sürdürülebilir kalkınma konusuna dikkat edilmelidir, çünkü bazı insanlar kuantum bilgisayarların kesinlikle inşa edilmeyeceğine, bu da sahaya zarar vereceğine inanıyor; aşırı iyimser olmamalı ve kurumsal yatırımcılara veya devlet yatırımcılarına aşırı vaatlerde bulunmamalıdır. Teknolojik gelişme o kadar hızlı değildir, bu da yatırımcıları hayal kırıklığına uğratabilir ve alanı tahrip edebilir;
Beşincisi, kuantum hesaplama ile klasik hesaplama arasındaki ilişki çatışmaya dayanmaz Kuantum hesaplamadaki birçok teknoloji klasik hesaplamadan gelir;
Altıncı olarak, kuantum hesaplama teknolojisinin geliştirilmesinde işletmeler çok önemli bir konuma sahiptir, çünkü işletmeler gerçek uygulamalara daha yakındır ve bu, kuantum hesaplamanın gerçek uygulama değerini bulmasına yardımcı olacak farklı fikirler getirebilir;
Yedinci olarak, işletmeler ve bilimsel araştırma enstitüleri daha açık olmalı.Kuantum hesaplama kısa vadede değerli ticarileştirmeyi başaramayabilir.Bu aşamada, teknolojik korumaya aşırı vurgu teknolojik gelişmeye yardımcı olmayabilir.
