Serye ng mga tagumpay sa quantum computing
Ang isang ordinaryong computer, na ngayon ay tinutukoy bilang isang klasikal o tradisyonal na computer ay gumagana sa pangunahing konsepto ng 0s at 1s (zero at one). Kapag tinanong natin ang computer upang makagawa ng isang gawain para sa atin, halimbawa ng mathematical na pagkalkula o pag-book ng appointment o anumang bagay na nauugnay sa pang-araw-araw na buhay, ang gawaing ito sa ibinigay na sandali ay kino-convert (o isinalin) sa isang string ng 0s at 1s (na kung saan ay tinatawag na input), ang input na ito ay pinoproseso ng isang algorithm (tinukoy bilang isang hanay ng mga panuntunan na dapat sundin upang makumpleto ang isang gawain sa isang computer). Pagkatapos ng pagproseso na ito, isang bagong string ng 0s at 1s ang ibabalik (tinatawag na output), at ito ay nag-e-encode para sa inaasahang resulta at isinasalin pabalik sa mas simpleng user-friendly na impormasyon bilang isang "sagot" sa kung ano ang gusto ng user na gawin ng computer. . Nakakabighani na kahit gaano man katalino o katalino ang algorithm na maaaring lumitaw at anuman ang antas ng kahirapan ng gawain, ang isang computer algorithm ay gumagawa lamang ng isang bagay na ito - pagmamanipula ng mga string ng mga piraso - kung saan ang bawat bit ay alinman sa 0 o 1. Ang nangyayari ang pagmamanipula sa computer (sa dulo ng software) at sa antas ng makina ito ay kinakatawan ng mga electrical circuit (sa motherboard ng computer). Sa terminolohiya ng hardware kapag ang kasalukuyang dumadaan sa mga de-koryenteng circuit na ito, ito ay sarado at bukas kapag walang kasalukuyang.
Classical vs Quantum computer
Samakatuwid, sa mga klasikal na computer, ang kaunti ay isang piraso ng impormasyon na maaaring umiral sa dalawang posibleng estado – 0 o 1. Gayunpaman, kung pag-uusapan natin ang tungkol sa kuwantum mga computer, kadalasang gumagamit sila ng mga quantum bits (tinatawag ding 'qubits'). Ito ay mga quantum system na may dalawang estado, gayunpaman, hindi tulad ng karaniwang bit (naka-imbak bilang 0 o 1), ang mga qubit ay maaaring mag-imbak ng higit pang impormasyon at maaaring umiral sa anumang pagpapalagay ng mga halagang ito. Upang ipaliwanag sa isang mas mahusay na paraan, ang isang qubit ay maaaring isipin bilang isang haka-haka na globo, kung saan ang qubit ay maaaring maging anumang punto sa globo. Masasabing sinasamantala ng quantum computing ang kakayahan ng mga subatomic na particle na umiral sa higit sa isang estado sa anumang partikular na oras at maging eksklusibo pa rin sa isa't isa. Sa kabilang banda, ang isang classical bit ay maaari lamang sa dalawang estado - halimbawa sa dulo ng dalawang pole ng globo. Sa ordinaryong buhay hindi natin makikita ang 'superposition' na ito dahil kapag ang isang sistema ay tiningnan sa kabuuan nito, nawawala ang mga superposition na ito at ito ang dahilan kung bakit hindi malinaw ang pagkaunawa sa mga naturang superposition.
Ang ibig sabihin nito para sa mga computer ay ang mga quantum computer na gumagamit ng mga qubit ay maaaring mag-imbak ng isang malaking halaga ng impormasyon gamit ang mas mababang enerhiya kaysa sa isang klasikal na computer at sa gayon ang mga operasyon o kalkulasyon ay maaaring gawin nang mas mabilis sa isang quantum computer. Kaya, ang isang klasikal na computer ay maaaring tumagal ng 0 o 1, dalawang bit sa computer na ito ay maaaring nasa apat na posibleng estado (00, 01, 10 o 11), ngunit isang estado lamang ang kinakatawan sa anumang oras. Ang isang quantum computer, sa kabilang banda, ay gumagana sa mga particle na maaaring nasa superposition, na nagpapahintulot sa dalawang qubit na kumatawan sa eksaktong parehong apat na estado sa parehong oras dahil sa pag-aari ng superposition na nagpapalaya sa mga computer mula sa 'binary constraint'. Ito ay maaaring katumbas ng apat na computer na tumatakbo nang sabay-sabay at kung idaragdag natin ang mga qubit na ito, ang kapangyarihan ng quantum computer ay lumalaki nang husto. Sinasamantala din ng mga quantum computer ang isa pang katangian ng quantum physics na tinatawag na 'quantum entanglement', na tinukoy ni Albert Einstein, ang entanglement ay isang property na nagpapahintulot sa mga quantum particle na kumonekta at makipag-usap anuman ang kanilang lokasyon sa sansinukob upang ang pagbabago ng estado ng isa ay maaaring makaapekto kaagad sa isa pa. Ang dalawahang kakayahan ng 'superposition' at 'entanglement' ay medyo makapangyarihan sa prinsipyo. Samakatuwid, ang maaaring makamit ng isang quantum computer ay hindi maisip kung ihahambing sa mga klasikal na computer. Ang lahat ng ito ay mukhang kapana-panabik at prangka, gayunpaman, may problema sa sitwasyong ito. Ang isang quantum computer, kung kukuha ng qubits (superposed bits) bilang input nito, ang output nito ay magiging katulad din sa isang quantum state ie isang output na may superposed bits na maaari ding patuloy na magbago depende sa kung anong estado ito. Ang ganitong uri ng output ay ' t talagang nagpapahintulot sa amin na matanggap ang lahat ng impormasyon at samakatuwid ang pinakamalaking hamon sa sining ng quantum computing ay ang paghahanap ng mga paraan upang makakuha ng mas maraming impormasyon mula sa quantum output na ito.
Darating ang Quantum computer!
Ang mga quantum computer ay maaaring tukuyin bilang makapangyarihang mga makina, batay sa mga punong-guro ng quantum mechanics na kumukuha ng ganap na bagong diskarte sa pagproseso ng impormasyon. Sinisikap nilang tuklasin ang mga kumplikadong batas ng kalikasan na dati nang umiiral ngunit kadalasan ay nananatiling nakatago. Kung matutuklasan ang ganitong mga natural na phenomena, ang quantum computing ay maaaring magpatakbo ng mga bagong uri ng mga algorithm upang magproseso ng impormasyon at ito ay maaaring humantong sa mga makabagong tagumpay sa mga materyal na agham, pagtuklas ng droga, robotics at artificial intelligence. Ang ideya ng isang quantum computer ay iminungkahi ng American theoretical physicist na si Richard Feynman noong 1982. At ngayon, ang mga kumpanya ng teknolohiya (tulad ng IBM, Microsoft, Google, Intel) at mga institusyong pang-akademiko (tulad ng MIT, at Princeton University) ay nagtatrabaho sa quantum mga prototype ng computer upang lumikha ng isang mainstream na quantum computer. Sinabi kamakailan ng International Business Machines Corp. (IBM) na ang mga siyentipiko nito ay nakagawa ng isang malakas na platform ng quantum computing at maaari itong gawing available para ma-access ngunit sabihin na hindi ito sapat para sa pagsasagawa ng karamihan sa mga gawain. Sinasabi nila na ang isang 50-qubit prototype na kasalukuyang binuo ay maaaring malutas ang maraming mga problema na ginagawa ng mga klasikal na computer ngayon at sa hinaharap ay 50-100 qubit na mga computer ang higit na mapupuno ang puwang ibig sabihin, ang isang quantum computer na may ilang daang qubits lamang ay magagawang magsagawa ng higit pang mga kalkulasyon nang sabay-sabay kaysa sa mga atom sa kilala sansinukob. Sa makatotohanang pagsasalita, ang landas patungo sa kung saan ang isang quantum computer ay maaaring aktwal na madaig ang isang klasikal na computer sa mahihirap na gawain ay puno ng mga paghihirap at hamon. Kamakailan ay ipinahayag ng Intel na ang bagong 49-qubit quantum computer ng kumpanya ay kumakatawan sa isang hakbang patungo sa "quantum supremacy", sa isang malaking pagsulong para sa kumpanya na nagpakita ng isang 17-bit na qubit system 2 buwan lamang ang nakalipas. Ang kanilang priyoridad ay ang patuloy na pagpapalawak ng proyekto, batay sa pag-unawa na ang pagpapalawak ng bilang ng mga qubit ay ang susi sa paglikha ng mga quantum computer na maaaring maghatid ng mga resulta sa totoong mundo.
Ang materyal ay susi para sa pagbuo ng quantum computer
Ang materyal na silikon ay isang mahalagang bahagi ng pag-compute sa loob ng mga dekada dahil ang pangunahing hanay ng mga kakayahan nito ay ginagawang angkop para sa pangkalahatan (o klasikal) na pag-compute. Gayunpaman, hanggang sa quantum computing ay nababahala, ang mga solusyon na nakabatay sa silikon ay hindi pa pinagtibay pangunahin dahil sa dalawang dahilan, una mahirap kontrolin ang mga qubit na ginawa sa silikon, at pangalawa, hindi pa rin malinaw kung ang mga silikon na qubit ay maaaring mag-scale pati na rin ang iba mga solusyon. Sa isang malaking pag-unlad kamakailan lamang ay binuo ng Intel1 isang bagong uri ng qubit na kilala bilang isang 'spin qubit' na ginawa sa conventional silicon. Ang mga spin qubit ay malapit na kahawig ng semiconductor electronics at inihahatid nila ang kanilang quantum power sa pamamagitan ng paggamit ng spin ng isang electron sa isang silicon device at pagkontrol sa paggalaw gamit ang maliliit, microwave pulses. Dalawang pangunahing bentahe na humantong sa paglipat ng Intel sa direksyong ito ay, una ang Intel bilang isang kumpanya ay malaki na ang namuhunan sa industriya ng silikon at sa gayon ay may tamang kadalubhasaan sa silikon. Pangalawa, mas kapaki-pakinabang ang mga silicon na qubit dahil mas maliit ang mga ito kaysa sa mga kumbensyonal na qubit, at inaasahang magkakaroon sila ng pagkakaugnay-ugnay sa mas mahabang panahon. Ito ang pinakamahalaga kapag ang mga quantum computing system ay kailangang palakihin (halimbawa, mula 100-qubit hanggang 200-qubit). Sinusubukan ng Intel ang prototype na ito at inaasahan ng kumpanya na gagawa ng mga chips na mayroong libu-libong maliliit na qubit array at ang ganitong produksyon kapag ginawa nang maramihan ay maaaring maging napakahusay para sa pagpapalaki ng mga quantum computer at maaaring maging isang tunay na gamechanger.
Sa isang kamakailang pananaliksik na inilathala sa agham, isang bagong disenyong pattern para sa mga photonic na kristal (ibig sabihin, isang kristal na disenyo na ipinatupad sa isang photonic chip) ay binuo ng isang koponan sa University of Maryland, USA, na inaangkin nilang gagawing mas madaling ma-access ang mga quantum computer2. Ang mga photon na ito ay ang pinakamaliit na dami ng liwanag na kilala at ang mga kristal na ito ay nakabaon sa mga butas na nagiging sanhi ng interaksyon ng liwanag. Ang iba't ibang mga pattern ng butas ay nagbabago sa paraan ng pagyuko at pagtalbog ng liwanag sa pamamagitan ng kristal at dito ginawa ang libu-libong butas na tatsulok. Ang ganitong paggamit ng mga solong photon ay mahalaga para sa proseso ng paglikha ng mga quantum computer dahil ang mga computer ay magkakaroon ng kakayahang magkalkula ng malalaking numero at mga kemikal na reaksyon na hindi kayang gawin ng kasalukuyang mga computer. Ginagawang posible ng disenyo ng chip na mangyari ang paglilipat ng mga photon sa pagitan ng mga quantum computer nang walang anumang pagkalugi. Ang pagkawala na ito ay tiningnan din bilang isang malaking hamon para sa mga quantum computer at sa gayon ang chip na ito ay nag-aalaga sa isyu at nagbibigay-daan sa mahusay na ruta ng kuwantum impormasyon mula sa isang sistema patungo sa isa pa.
Hinaharap
Nangangako ang mga quantum computer na magpapatakbo ng mga kalkulasyon nang higit pa sa anumang karaniwang supercomputer. May potensyal silang baguhin nang lubusan ang pagtuklas ng mga bagong materyales sa pamamagitan ng paggawang posible na gayahin ang pag-uugali ng bagay hanggang sa atomic level. Nagbibigay din ito ng pag-asa para sa artificial intelligence at robotics sa pamamagitan ng pagproseso ng data nang mas mabilis at mas mahusay. Ang paghahatid ng isang komersyal na mabubuhay na quantum computing system ay maaaring gawin ng alinman sa mga pangunahing organisasyon sa mga darating na taon dahil ang pananaliksik na ito ay bukas pa rin at isang patas na laro para sa lahat. Inaasahan ang mga malalaking anunsyo sa darating na lima hanggang pitong taon at sa perpektong pagsasalita sa mga serye ng mga pagsulong na ginagawa, ang mga problema sa engineering ay dapat na matugunan at ang isang 1 milyon o higit pang qubits na quantum computer ay dapat na isang katotohanan.
***
{Maaari mong basahin ang orihinal na papel ng pananaliksik sa pamamagitan ng pag-click sa link ng DOI na ibinigay sa ibaba sa listahan ng (mga) binanggit na pinagmulan}
Pinagmulan (s)
1. Castelvecchi D. 2018. Ang Silicon ay nakakuha ng ground sa quantum-computing race. Kalikasan. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Isang topological quantum optics interface. Agham. 359(6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
