Kaip kvantiniai kompiuteriai galėjo apskaičiuoti galią aukso amžiuje?

Kvantinė inžinerija

Kvantiniai kompiuteriai galėtų atnešti skaičiavimo galios aukso amžių, spręsdami išsprendžiamas šių dienų mašinų problemas.

Klasikiniai kompiuteriai nuo 1940-ųjų tobulėjo nepaprastai greitai. Šiandien galite nusipirkti laikrodį su didesne skaičiavimo galia nei didžiausias kambario dydžio kompiuteris prieš pusšimtį metų. Paprastai šiuos pasiekimus padarė elektros inžinieriai, turintys galimybę pagaminti mažesnius tranzistorius (grandines) ir suvynioti juos arčiau vienas kito.

Bet tas sumažinimas galiausiai pasieks fizinę ribą. Kai kompiuterinė elektronika artėja prie atominio lygio, bus neįmanoma valdyti atskirų komponentų, nepaveikiant kaimynų. Klasikinių kompiuterių negalima be galo patobulinti naudojant įprastą mastelį.

Aštuntajame dešimtmetyje gimusi idėja – kvantinis skaičiavimas – vieną dieną lazdelę galėtų perkelti į naują greitųjų kompiuterių erą. Metodas naudoja kvantinius mechaninius reiškinius atlikti sudėtingus skaičiavimus, kurių neįmanoma klasikiniams kompiuteriams. Teoriškai kvantinis skaičiavimas per kelias minutes galėtų išspręsti problemas, kurios klasikiniams kompiuteriams užtruks tūkstančius metų. „Google“ jau parodė, kad kvantiniai skaičiavimai tam tikroms užduotims pranoksta geriausią pasaulyje superkompiuterį.

Bet vis dar ankstyvos dienos. Kad patikimai išspręstų praktines problemas, kvantinis skaičiavimas turi įveikti daugybę mokslinių ir inžinerinių kliūčių. Iš viso daugiau nei 100 tyrinėtojų SU: padėti sukurti būtinas pagrindines technologijas, kad padidėtų kvantinis skaičiavimas ir jo galimybės taptų realybe.

MIT kvantinė inžinerija

: MIT kompiuterių inžinieriai siekia, kad kvantinio skaičiavimo pažadas taptų realybe. Paskola: Jose-Luisas Olivaresas, MIT

Kas yra kvantinis skaičiavimas?

Tai pirmiausia padeda suprasti klasikinių kompiuterių pagrindus, pavyzdžiui, ką naudojate skaitant šią istoriją. Klasikiniai kompiuteriai saugo ir apdoroja informaciją dvejetainiais bitais, kurių kiekvieno vertė yra 0 arba 1. Įprastame nešiojamame kompiuteryje gali būti milijardai tranzistorių, kurie naudoja skirtingą įtampos lygį, kad atspindėtų bet kurią iš šių dviejų verčių. Nors klasikinių kompiuterių galia, dydis ir galia yra labai skirtingi, visi jie veikia toje pačioje pagrindinėje dvejetainėje logikos sistemoje.

Kvantiniai kompiuteriai iš esmės skiriasi. Jų kvantiniai bitai, vadinami uolekitėmis, gali turėti vienu metu 0, 1 arba dviejų būsenų derinio vertę. Taip yra dėl kvantinio mechaninio reiškinio, vadinamo super pelnu. „Atrodo, kad kvantinė dalelė yra dviejose vietose vienu metu“, – aiškina IT „Chiaverini“, „MIT Lincoln Labs“ „Quantum Information“ ir „Interated Nanosystems Group“ tyrinėtojas.

Dalelės taip pat gali būti „susipynusios“ viena su kita, nes jų kvantinės būsenos yra neatskiriamai susijusios. Pirmenybė ir sudėtingumas leidžia kvantiniams kompiuteriams „išspręsti kai kurias problemas greičiau nei įprastiems kompiuteriams“, sako Chiaverini.

Chiaverini atkreipia dėmesį į specialias programas, kuriose kvantiniai kompiuteriai gali spindėti. Pvz., Jie puikiai naudojasi dideliu skaičiumi ir yra puiki priemonė šifravimui ir skaitmeniniam saugumui užtikrinti. Jie taip pat galėtų modeliuoti sudėtingas molekulines sistemas, kurios galėtų padėti aptikti vaistus. Iš esmės kvantiniai kompiuteriai galėtų įkrauti daugelį tyrimų ir pramonės sričių, jei tik mes galėtume sukurti patikimas sritis.

Kaip sukurti kvantinį kompiuterį?

Kvantines sistemas nėra lengva valdyti dėl dviejų iššūkių. Pirmasis yra tai, kad kubito pirmenybės būsena yra labai jautri. Dėl nedidelių aplinkos trikdžių ar medžiagų defektų uolekčiai gali suklysti նել prarasti savo kvantinę informaciją. Šis procesas, vadinamas dekoherencija, riboja uolekties naudojimo laiką.

Antrasis iššūkis yra kontroliuoti kubitą, kad būtų atliekamos loginės funkcijos, kurios dažnai pasiekiamos sutraiškytu elektromagnetinės spinduliuotės impulsu. Šis pats manipuliavimo procesas gali sukelti tiek atsitiktinio elektromagnetinio triukšmo, kad jį galima išardyti. Norėdami padidinti kvantinius kompiuterius, inžinieriai turės pasiekti pusiausvyrą, kad apsaugotų kubitus nuo galimų trikdžių ir vis tiek leistų jais manipuliuoti atliekant skaičiavimus. Teoriškai šią pusiausvyrą galima pasiekti naudojant daugybę fizinių sistemų, nors šiuo metu perspektyviausios yra dvi technologijos. Superlaidininkai ված Įstrigę jonai.

Superlaidus kvantinis kompiuteris naudoja elektronų porų, vadinamų „Kuperio poromis“, srautą per nesipriešinimo grandinę kaip kubitą. „Superlaidininkas yra gana unikalus, nes jo atsparumas išnyksta žemiau tam tikros temperatūros“, – sakė Williamas Oliveris, MIT Elektros ir kompiuterijos mokslo katedros docentas ir „Lincoln Labs“ MIT centro direktorius. kvantinei inžinerijai.

Kompiuteriai „Oliver“ inžinieriai naudoja uolekčius, pagamintus iš superlaidžių aliuminio grandinių, kurios yra užšalusios absoliutus nulisSistema veikia kaip harmoninis osciliatorius, turintis dvi energijos būsenas, atitinkančias 0 և 1, kai srovė vienaip ar kitaip teka grandine. Šie superlaidininkų uolekčiai yra santykinai dideli, maždaug dešimtadalis milimetro kiekviename krašte, kuris yra šimtus tūkstančių kartų didesnis nei klasikinis tranzistorius. Dauguma superlaidininkų kubitų leidžia lengvai manipuliuoti skaičiavimais.

Tačiau tai taip pat reiškia, kad Oliveris nuolat kovoja su netvarka ir ieško naujų būdų, kaip iš aplinkos triukšmo padaryti uolekčių. Jo tyrimo misija yra nustatyti technologinius sulėtėjimus, kurie galėtų padėti sukurti patikimus superlaidžius kvantinius kompiuterius. „Man patinka atlikti keletą pagrindinių tyrimų, bet man patinka tai padaryti praktiškai ir išsamiai“, – sako Oliveris. „Kvantinė inžinerija užmezga tiltus prieš kvantinį mokslą, paprastą inžineriją. „Kad kvantinis skaičiavimas taptų realybe, reikės ir mokslo, ir inžinerijos“.

Kitas iššūkis manipuliuoti kubitais, tuo pačiu apsaugant juos nuo dekoherencijos, yra sulaikyti jonizuotą kvantinį kompiuterį, kuris naudoja atskirus atomus ir jų natūralų kvantinį mechaninį elgesį kaip kubitą. Pasak Chiaverini, atomai sudaro paprastesnę kubitą nei peršaldytos grandinės. „Laimei, aš pats neturiu gaminti uolekčių“, – sako jis. „Gamta man dovanoja šias tikrai gražias uolekites. Tačiau svarbiausia yra sukurti sistemą ir to išvengti “.

Chiaverini uolekties yra įkrauti jonai, o ne neutralūs atomai, nes juos lengviau sutalpinti ir lokalizuoti. Jis lazeriais kontroliuoja jonų kvantinį elgesį. „Mes manipuliuojame elektrono būsena. Mes prisidedame prie vieno iš elektronų atomas „Aukštesnis energijos lygis arba žemesnis energijos lygis“, – sakė jis.

Patys jonai laikomi vietoje, pritvirtindami lustą prie elektrodų masės. – Jei gerai elgsiuosi, galiu sukurti elektromagnetinį lauką, kuris galėtų sulaikyti įstrigusį joną tiesiai virš lusto paviršiaus. Keičiant elektrodams taikomą įtampą, Chiaverini gali judėti jonais per mikroschemos paviršių, leisdamas daugiakubinį veiksmą tarp atskirų uždarų jonų.

Taigi nors patys kubitai yra paprasti, jų koregavimo sistema yra didžiulis iššūkis. „Turite suprojektuoti valdymo sistemas – lazerius, įtampos և radijo dažnio signalus. “Tai, ką mes manome, yra raktas į visus juos į vieną mikroschemą, kuri taip pat sulaiko jonus.”

Chiaverini pažymi, kad vidaus iššūkiai, su kuriais susiduria jonų-kvantiniai kompiuteriai, pirmiausia yra skirti kontroliuoti kubitą, o ne užkirsti kelią išmontavimui. Priešingybė yra superlaidininkų kvantiniams kompiuteriams. Be abejo, yra begalė kitų fizinių sistemų, kurios yra studijuojamos kaip kvantiniai kompiuteriai.

Kur mes einame iš čia?

Jei taupote pinigus kvantiniam kompiuteriui įsigyti, nekvėpuokite. Oliveris ir Chiaverini sutaria, kad ateinančiais dešimtmečiais kvantinės informacijos plėtra palaipsniui taps komercine rinka kartu su mokslo ir inžinerijos plėtra.

Tuo pat metu „Chiaverini“ mini dar vieną savo spąstų jonų technologijos taikymą. Itin tikslūs optiniai laikrodžiai, kurie gali padėti naršyti navigation GPS. Savo ruožtu Oliveris numato prijungtą klasikinę-kvantinę sistemą, kurioje klasikinė mašina gali paleisti didžiąją dalį algoritmo, nusiųsdama pasirinktus skaičiavimus į kvantinę mašiną, kuri veiks tol, kol jos uolekčiai bus suardytos. Ilgainiui kvantiniai kompiuteriai galėtų veikti savarankiškiau, nes patobulinti klaidų taisymo kodai leidžia jiems veikti neribotą laiką.

„Kvantinis skaičiavimas yra po kelerių metų“, – sako Chiaverini. Tačiau dabar, atrodo, technologijos pasiekia lūžio tašką, pereidamos nuo grynai mokslinės problemos prie bendros mokslinės-inžinerinės „kvantinės inžinerijos“. Pamaina, kuriai iš dalies padėjo Chiaverini, Oliveris doz ir dešimtys kitų MIT centro tyrėjų. Kvantinė inžinerija (CQE) և Kitur.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Eksperimentas atskleidžia naujas sinchroninių šviesos šaltinių galimybes.

Iliustracija, rodanti, kaip elektronų moduliacija lazeriu buvo panaudota kuriant lazerio šviesą skleidžiančias mikrobangas. Kreditas: Tsinghua universitetas. Tarptautinė komanda, atlikdama jaudinančius eksperimentus, parodė, kaip įvairios yra...

Kaip sumažinti kūno temperatūrą, gali padėti 10% pacientų, kuriems skiriamas didelis dėmesys

Šiame brėžinyje aprašytas tepalas (oranžinis ir geltonas), kuris yra molekulinis sluoksnis oro sąsajoje ir kvėpavimui reikalingas skystis plaučiuose. Naujausi tyrimai parodė, kad terminio...

Apšviesti saulės banguoti langai gamina energiją iš vidaus

Ryžių universiteto inžinieriai sukūrė ir pastatė langus, kurie saulės šviesą ar apšvietimą iš vidaus paverčia periferinėmis kraujo ląstelėmis. Centrinis sluoksnis yra kompozicinis polimeras,...

Gyvenimo ant koralų rifų gausa buvo nuostabi nuo Charleso Darwino laikų – nauji tyrimai pateikia atsakymus

Planktonu maitinančios žuvys dažnai dominuoja vandenynų koralinių rifų žuvų kolekcijoje. Kreditas: Dr. Christina Skinner Tyrimas parodė, kad atviruose vandenynų vandenyse, kurie kažkada buvo...

Egipto mumijos mumijos „Purvo karapasas“ neregėtas gydymas – neteisingo pateikimo atvejis

Kiekvienas mumifikuotas ir uždarytas Sidnėjaus universiteto Chau Chak Wing muziejaus Nicholson kolekcijoje. A. Mumifikuotas asmuo, dabar saugojimui dėvintis rankas, BMR. 27.3. B....

Newsletter

Subscribe to stay updated.