Raktas į galingesnius kvantinius kompiuterius galėtų būti jų kūrimas kaip „Lego“.

Aliuminio moduliai iš Quantum Circuits. „Quantum Circuits“ sutikimu

Apsilankykite bet kurioje pradedančioje įmonėje ar universiteto laboratorijoje, kurioje statomi kvantiniai kompiuteriai, ir tarsi įžengtumėte į septintojo dešimtmečio laiko vingį – pagrindinio kompiuterio klestėjimo laikotarpį, kai nedidelės technikų armijos aptarnavo mašinas, kurios galėtų užpildyti ištisas patalpas.

Norint panaudoti egzotiškas kvantinės mechanikos jėgas duomenų apdorojimui, reikia visokios įrangos – nuo ​​itin tikslių lazerių iki peršaldomų šaldytuvų. Kabeliai, jungiantys įvairias pavarų dalis, sudaro įvairiaspalvius spagečius, kurie išsilieja per grindis ir eina per lubas. Fizikai ir inžinieriai knibždėte knibžda aplink ekranų bankus, nuolat stebi ir koreguoja kompiuterių veikimą.

Pagrindiniai kompiuteriai pradėjo informacinę revoliuciją, ir tikimasi, kad kvantiniai kompiuteriai taip pat pakeis žaidimą. Jų milžiniška apdorojimo galia žada pranokti net galingiausių įprastų superkompiuterių, galinčių pasiekti pažangą visame kame – nuo ​​vaistų atradimo iki medžiagų mokslo ir dirbtinio intelekto.

Didelis iššūkis, su kuriuo susiduria besiformuojanti pramonė, yra sukurti mašinas, kurias būtų galima padidinti patikimai ir palyginti pigiai. Sukurti ir valdyti kvantinius bitus arba kubitus, pernešančius informaciją kompiuteriuose, sunku. Net ir menkiausios vibracijos ar temperatūros pokyčiai – reiškiniai, kvantiniu žargonu vadinami triukšmu – gali priversti kubitus prarasti savo trapią kvantinę būseną. Ir kai taip nutinka, skaičiavimuose atsiranda klaidų.

Dažniausias atsakas buvo sukurti kvantinius kompiuterius su kuo daugiau kubitų viename luste. Jei kai kurie kubitai sugenda, kiti, turintys informacijos kopijas, gali būti naudojami kaip atsarginės kopijos algoritmais, sukurti klaidoms aptikti ir sumažinti. Strategija, kuriai pritarė didelės įmonės, tokios kaip IBM ir Google, taip pat aukšto lygio startuoliai, pvz., Rigetti Computing , sukūrė sudėtingas mašinas, primenančias tuos kambario dydžio pagrindinius kompiuterius.

Problema ta, kad klaidų lygis yra labai didelis. Šiuolaikiniai didžiausi lustai turi mažiau nei šimtą kubitų, tačiau gali prireikti tūkstančių ar net dešimčių tūkstančių, kad būtų gautas toks pat rezultatas, kaip ir vienas be klaidų kubitas. Kiekvienam kubitui reikia savo valdymo laidų, todėl kuo daugiau jų pridedama, tuo sudėtingesnė tampa sistemos valdymas. Taip pat reikės daugiau įrangos, kad būtų galima stebėti ir valdyti sparčiai didėjantį kubitų skaičių. Tai gali žymiai padidinti kompiuterių sudėtingumą ir kainą, apribodama jų patrauklumą.

Jeilio profesorius Robertas Schoelkopfas mano, kad yra geresnis kelias į priekį. Užuot bandę į vieną lustą sukrauti vis daugiau kubitų, startuolis Quantum Circuits, kurį jis įkūrė 2017 m., kuria mini kvantines mašinas. Juos galima sujungti į tinklą naudojant specializuotas sąsajas, panašiai kaip labai aukštųjų technologijų „Lego“ kaladėlės. Schoelkopf teigia, kad šis metodas padeda sukurti mažesnį klaidų lygį, todėl norint sukurti galingas kvantines mašinas reikės mažiau kubitų, taigi ir mažiau palaikančios aparatinės įrangos.

Robertas Schoelkopfas laboratorijoje Quantum Circuits biure New Haven. Julie Bidwell

Skeptikai pabrėžia, kad skirtingai nei konkurentai, tokie kaip IBM, Quantum Circuits dar neturi viešai pristatyti veikiančio kompiuterio. Bet jei jis gali pateikti tokį, kuris pateisintų Schoelkopf teiginius, tai galėtų padėti kvantinį skaičiavimą išnešti iš laboratorijų ir į komercinį pasaulį daug greičiau.

Noras sukurti ilgalaikius kubitus

Idėja sujungti mažesnius kvantinius blokus, kad būtų sukurti didesni kompiuteriai, sklando jau daugelį metų, tačiau ji niekada nebuvo iki galo pagauta. Dar nebuvo sukurta puiki, gedimams atspari mašina, kuri būtų sukurta naudojant modulinį metodą, aiškina Jerry Chow, vadovaujantis eksperimentinei kvantinio skaičiavimo komandai IBM tyrimų įmonėje. Vis dėlto, priduria Chow, jei kas gali tai padaryti, tai bus Schoelkopfas ir jo kolegos.

Baigęs inžinieriaus ir fiziko mokymus, įskaitant NASA ir Caltech, Schoelkopf prisijungė prie Jeilio fakulteto 1998 m. ir pradėjo dirbti su kvantiniu skaičiavimu. Jis ir jo kolegos pradėjo naudoti superlaidžias grandines mikroschemoje, kad sukurtų kubitus. Siurbdami elektros srovę per specializuotas mikroschemas, esančias šaldytuvuose, kurie yra šaltesni už giliąją erdvę, jie gali įkalbėti daleles į kvantines būsenas, kurios yra labai svarbios kompiuterių galiai.

Skirtingai nuo įprastų kompiuterių bitų, kurie yra elektros arba optinių impulsų srautai, vaizduojantys arba a vienas arba a 0 , kubitai yra subatominės dalelės, tokios kaip fotonai arba elektronai, kurios gali būti tam tikrame abiejų derinyje. vienas ir 0 - reiškinys, žinomas kaip superpozicija. Kubitai taip pat gali susipainioti vienas su kitu, o tai reiškia, kad vieno būsenos pasikeitimas gali akimirksniu pakeisti kitų būseną, net jei tarp jų nėra fizinio ryšio.

Vakuuminė sistema, naudojama superlaidžioms grandinėms sukurti. Julie Bidwell

Daugiau informacijos apie tai rasite mūsų kvantinio skaičiavimo paaiškinime. Tačiau svarbiausia žinoti, kad tai leidžia kubitams veikti taip, lyg jie vienu metu atliktų daug skaičiavimų, kuriuos paprastas kompiuteris turėtų atlikti nuosekliai. O tai reiškia, kad pridėjus papildomų kubitų į kvantinę mašiną, jos apdorojimo pajėgumas didėja eksponentiškai.

Schoelkopfas taip pat sulaukė pagyrimų už savo darbą sprendžiant triukšmo problemą. Kubitų darnos laikas – tai yra, kiek laiko jie gali atlikti skaičiavimus, kol triukšmas nesuardys jų subtilios kvantinės būsenos – maždaug kas trejus metus gerėjo 10 kartų. (Tyrėjai šią tendenciją pavadino Schoelkopfo dėsniu, linktelėdami į klasikinio skaičiavimo Moore'o dėsnį, pagal kurį tranzistorių skaičius silicio mikroschemoje padvigubėja kas dvejus metus.) Brendanas Dickinsonas iš Canaan Partners, vienas iš Quantum Circuits investuotojų, teigia Schoelkopf's. įspūdingi superlaidžių kubitų pasiekimai yra viena iš pagrindinių priežasčių, kodėl ji nusprendė paremti verslą, kuris iki šiol surinko 18 mln.

Ironiška, kad kai kurie Schoelkopfo ir jo įkūrėjų iš Jeilio Michelio Devoreto ir Luigi Frunzio globojami studentai dabar dirba tokiose įmonėse kaip IBM ir Rigetti, kurios konkuruoja su savo startuoliu. Schoelkopfas aiškiai didžiuojasi kvantine diaspora, kuri išėjo iš Jeilio laboratorijos. Jis man papasakojo, kad prieš keletą metų peržiūrėjo visas organizacijas visame pasaulyje, dirbančias su superlaidžiais kubitais, ir išsiaiškino, kad daugiau nei pusei jų vadovavo žmonės, kurie ten praleido laiką. Tačiau jis taip pat mano, kad įsigalėjo tam tikras grupinis mąstymas.

Modulinių mašinų privalumai

Dauguma mokslininkų, dirbančių su superlaidžiomis mašinomis, sutelkia dėmesį į tai, kad viename luste sukurtų kuo daugiau kubitų. „Quantum Circuits“ metodas labai skiriasi nuo to standarto. Jos sistemos šerdis yra mažas aliuminio modulis, kuriame yra superlaidžios grandinės, pagamintos ant silicio arba safyro lustų. Kiekviename modulyje yra nuo 5 iki 10 kubitų.

Norėdama sujungti šiuos modulius į didesnius kompiuterius, bendrovė naudoja tai, kas skamba kaip kažkas Žvaigždžių kelias - kvantinė teleportacija. Tai metodas, sukurtas duomenims siųsti per tokius dalykus kaip telekomunikacijų tinklai. Pagrindinė idėja apima mikrobangų fotono įpainiojimą viename modulyje su fotonu kitame ir jungties tarp jų naudojimą kaip tiltą duomenims perduoti. (Mes taip pat turime kvantinės teleportacijos paaiškinimą.) Quantum Circuits naudojo šį metodą, kad teleportuotų kvantinę loginių vartų versiją tarp savo modulių.

Schoelkopf teigia, kad yra keletas priežasčių, kodėl tinklo modulius sujungti geriau, nei į vieną lustą sukrauti kuo daugiau kubitų. Dėl mažesnio kiekvieno įrenginio mastelio lengviau valdyti sistemą ir taikyti klaidų taisymo būdus. Be to, jei kai kurie kubitai sugenda atskirame modulyje, įrenginį galima pašalinti arba izoliuoti, nepažeidžiant kitų, sujungtų su juo; jei jie visi yra viename luste, gali tekti išbraukti visą daiktą.

Plokštelė, naudojama kurti kubitus Quantum Circuits kompiuteriuose. Julie Bidwell

Žvelgiant į ateitį, „Quantum Circuits“ modulinėms mašinoms vis tiek reikės tos pačios įrangos, kaip ir konkurentų, įskaitant peršaldymo šaldytuvus ir stebėjimo įrangą. Tačiau kadangi jie keičiasi, jiems neturėtų prireikti to paties tipo valdymo laidų ir kitos atributikos, reikalingos atskiriems kubitams valdyti. Taigi, nors konkuruojantys įrenginiai gali atrodyti vis labiau kaip tie didžiuliai ankstyvieji pagrindiniai kompiuteriai, startuolių mašinos turėtų išlikti panašios į suplonėjusius įrenginius, kurie pasirodė kaip įprastinis kompiuteris, tobulėjantis aštuntajame dešimtmetyje ir vėliau.

Klausantis Schoelkopf pokalbių per technologijas, į galvą įsirėžė vaizdas: mano vaikai vaikystėje žaidė su plastikinėmis Lego kaladėlėmis ir sujungė jas, kad statytų pilis ir fortus.

Kai pasiūliau palyginimą, Schoelkopfas iš pradžių buvo šiek tiek atsargus, bet vėliau tapo gana entuziastingas. Apskritai, kiekvienas sudėtingas įrenginys, kurį aš žinau, sakė jis, yra pagrįstas Lego kaladėlių atitikmeniu, o jūs apibrėžiate sąsajas ir jų derinimą… [Lego kaladėlės] yra tikrai pigios. Jie gali būti gaminami masiškai. Ir jie visada sujungiami tinkamu būdu.

„Schoelkopf“ kvantiniai moduliai turi dar vieną esminį pranašumą. Kiekviename iš jų yra trimatė ertmė, kuri sulaiko daugybę mikrobangų fotonų. Jie sudaro vadinamuosius quditus ir yra kaip kubitai, išskyrus tai, kad juose saugoma daugiau informacijos. Nors kubitas reiškia derinį vienas ir 0 , qudit gali egzistuoti daugiau nei dviejose būsenose, tarkime, 0 , vienas , ir du Tuo pačiu metu. Kvantiniai kompiuteriai su qudits gali vienu metu gauti dar daugiau informacijos.

Mokslininkai eksperimentavo su kvidais tam tikrą laiką, tačiau juos sudėtinga generuoti ir valdyti. Schoelkopf teigia, kad Quantum Circuits rado būdų, kaip nuolat kurti aukštos kokybės grandines ir žymiai sumažinti klaidas. (Bendrovė teigia, kad naudodama savo ertmes pasiekė nuoseklumo laiką, kuris yra nuo 10 iki 100 kartų ilgesnis nei superlaidžių kubitų atveju, todėl klaidas ištaisyti lengviau.) Kai kurie kubitai vis dar reikalingi, kad būtų galima atlikti operacijas su kvidais ir išgauti informaciją iš jų. , bet jo požiūriui reikia mažiau šių kubitų. Tai savo ruožtu reiškia, kad apskritai reikia mažiau techninės įrangos.

Kvantinė kompiuterija yra plati sritis

Quantum Circuits skiedimo šaldytuvo vidus. „Quantum Circuits“ sutikimu

„Quantum Circuits“ požiūris skamba įtikinamai, tačiau Schoelkopf atsisako tiksliai pasakyti, kada įmonė pristatys visiškai veikiantį kompiuterį. Jis taip pat neatskleis, kiek kubitų ir quditų jo komandai iš viso pavyko surinkti kartu.

Kuo ilgiau tai užtrunka, tuo labiau rizikuoja, kad jo startuolis bus užgožtas konkurentų. IBM ir Rigetti jau suteikia įmonėms ir tyrėjams prieigą prie savo kvantinių kompiuterių per skaičiavimo debesį, ir sklando gandai, kad „Google“ bus beveik pirmoji, pasiekusi kvantinį pranašumą – arba tašką, kai kvantinis kompiuteris gali atlikti užduotį, kuri nepasiekiama. net galingiausio įprastinio superkompiuterio.

Schoelkopf teigia, kad organizacijos, norinčios išbandyti Quantum Circuits sistemos algoritmus, galės tai padaryti labai greitai ir kad tam tikru momentu ji prijungs mašinas prie debesies, kaip tai padarė IBM ir Rigetti. Paleistis yra ne tik kompiuterių kūrimas; ji taip pat dirba su programine įranga, kuri padės vartotojams išnaudoti visas pagrindinės aparatinės įrangos galimybes.

Be to, tai ankstyvos dienos. Kvantiniai algoritmai, vykdomi debesų paslaugose, tokiose kaip IBM, šiandien vis dar yra gana paprasti, pažymi Schoelkopf. Laukas yra plačiai atviras kvantiniams kompiuteriams ir susijusiai programinei įrangai, kuri tikrai gali turėti įtakos įvairiose srityse: nuo dirbtinio intelekto programų turbokompresoriaus iki molekulių modeliavimo chemikams.

Lieka daug klausimų. Ar „Quantum Circuits“ galės toliau gaminti tvirtus kubitus ir kvitus, nes gamina daug didesnes mašinas? Ar gali patikimai veikti kvantinės teleportacijos metodas, kai jis sujungia daugiau modulių? Ir ar jos sistemos, kai jos bus išleistos parduoti, bus ekonomiškesnės naudoti nei konkurentų? Reikšmingi fizikos ir inžinerijos iššūkiai vis dar laukia. Bet jei Schoelkopfas ir jo kolegos sugebės juos įveikti, jie galėtų įrodyti, kad norint tapti labai dideliais kvantinio skaičiavimo srityje, reikia galvoti mažai.

paslėpti