Jaudīgāku kvantu datoru atslēga varētu būt tādu kā Lego konstruēšana

Alumīnija moduļi no Quantum Circuits. Pieklājīgi no Quantum Circuits

Apmeklējiet jebkuru jaunuzņēmumu vai universitātes laboratoriju, kurā tiek būvēti kvantu datori, un tas ir kā ieiešana laika deformācijā 1960. gados — lieldatoru skaitļošanas ziedu laikos, kad nelielas tehniķu armijas apkalpoja iekārtas, kas varētu aizpildīt visas telpas.

Lai izmantotu kvantu mehānikas eksotiskos spēkus datu apstrādes uzdevumam, ir nepieciešamas visa veida iekārtas, sākot no īpaši precīziem lāzeriem līdz pārdzesētiem ledusskapjiem. Kabeļi, kas savieno dažādus zobratu gabalus, veido daudzkrāsainus spageti, kas izplūst pāri grīdām un iet pāri griestiem. Fiziķi un inženieri mētājas ap ekrānu bankām, pastāvīgi uzraugot un pielāgojot datoru veiktspēju.

Lieldatori ievadīja informācijas revolūciju, un ir cerība, ka arī kvantu datori izrādīsies spēles mainītāji. To milzīgā apstrādes jauda solās pārspēt pat jaudīgāko parasto superdatoru, potenciāli nodrošinot progresu visās jomās, sākot no zāļu atklāšanas līdz materiālu zinātnei un mākslīgajam intelektam.

Lielais izaicinājums, ar ko saskaras topošā nozare, ir radīt iekārtas, kuras var palielināt gan uzticami, gan salīdzinoši lēti. Kvantu bitu jeb kubitu ģenerēšana un pārvaldība, kas datoros nes informāciju, ir sarežģīta. Pat vissīkākās vibrācijas vai temperatūras izmaiņas — parādības, ko sauc par troksni kvantu žargonā — var izraisīt kubitu trauslā kvantu stāvokļa zaudēšanu. Un, kad tas notiek, aprēķinos iekļūst kļūdas.

Visizplatītākā reakcija ir bijusi kvantu datoru izveide ar pēc iespējas vairāk kubitu vienā mikroshēmā. Ja daži kubiti neizdodas, citus, kuriem ir informācijas kopijas, var izmantot kā rezerves kopijas, izmantojot algoritmus, kas izstrādāti kļūdu noteikšanai un samazināšanai. Stratēģija, kuru ir atbalstījuši lielie uzņēmumi, piemēram, IBM un Google, kā arī augsta līmeņa jaunizveidotie uzņēmumi, piemēram, Rigetti Computing, ir radījusi sarežģītas iekārtas, kas atgādina šos telpas lieluma lieldatorus.

Problēma ir tā, ka kļūdu līmenis ir ārkārtīgi liels. Mūsdienu lielākajās mikroshēmās ir mazāk nekā simts kubitu, taču var būt nepieciešami tūkstošiem vai pat desmitiem tūkstošu, lai iegūtu tādu pašu rezultātu kā viens bezkļūdu kubits. Katram kubitam ir nepieciešams savs vadības vads, tāpēc, jo vairāk to pievieno, jo sarežģītāka kļūst sistēmas pārvaldīšana. Būs nepieciešams arī vairāk aprīkojuma, lai uzraudzītu un pārvaldītu strauji augošo kubitu skaitu. Tas varētu ievērojami palielināt datoru sarežģītību un izmaksas, ierobežojot to pievilcību.

Roberts Šoelkopfs, Jēlas profesors, domā, ka ir labāks ceļš uz priekšu. Tā vietā, lai mēģinātu vienā mikroshēmā sabāzt arvien vairāk kubitu, Quantum Circuits, jaunuzņēmums, kuru viņš līdzdibināja 2017. gadā, izstrādā mini kvantu mašīnas. Tos var savienot tīklā, izmantojot specializētas saskarnes, līdzīgi kā ļoti augsto tehnoloģiju Lego klucīši. Schoelkopf saka, ka šī pieeja palīdz radīt zemāku kļūdu līmeni, tāpēc jaudīgu kvantu mašīnu izveidei būs nepieciešams mazāk kubitu un līdz ar to mazāk atbalsta aparatūras.

Roberts Šoelkopfs laboratorijā Quantum Circuits Ņūheivenas birojā. Džūlija Bidvela

Skeptiķi norāda, ka atšķirībā no konkurentiem, piemēram, IBM, Quantum Circuits vēl nav publiski atklājis strādājošu datoru. Bet, ja tas var nodrošināt tādu, kas atbilst Schoelkopf apgalvojumiem, tas varētu palīdzēt kvantu skaitļošanu izvest no laboratorijām un komerciālajā pasaulē daudz ātrāk.

Vēlme radīt ilgstošus kubitus

Ideja par mazāku kvantu bloku saskrūvēšanu, lai izveidotu lielākus datorus, pastāv jau gadiem ilgi, taču tā nekad nav tikusi pieķerta. Vēl nav bijusi lieliska, pret defektiem izturīga iekārta, kas būtu uzbūvēta, izmantojot modulāro pieeju, skaidro Džerijs Čovs, kurš vada eksperimentālo kvantu skaitļošanas komandu IBM Research. Tomēr Čovs piebilst, ka, ja kāds to spēs panākt, tas būs Šoelkopfs un viņa kolēģi.

Pēc inženiera un fiziķa apmācības, tostarp NASA un Caltech, Šoelkopfs pievienojās Jēlas fakultātei 1998. gadā un sāka strādāt pie kvantu skaitļošanas. Viņš un viņa kolēģi bija pionieris supravadītāju ķēžu izmantošanā mikroshēmā, lai izveidotu kubitus. Sūknējot elektrisko strāvu caur specializētām mikroshēmām, kas atrodas ledusskapjos, kas ir aukstāki par kosmosu, tie spēj pierunāt daļiņas kvantu stāvokļos, kas ir datoru milzīgās jaudas atslēga.

Atšķirībā no parasto datoru bitiem, kas ir elektrisko vai optisko impulsu plūsmas, kas attēlo vai nu a viens vai a 0 , kubiti ir subatomiskas daļiņas, piemēram, fotoni vai elektroni, kas var būt abu veidu kombinācijā. viens un 0 — parādība, kas pazīstama kā superpozīcija. Kubiti var arī sapīties viens ar otru, kas nozīmē, ka viena stāvokļa maiņa var acumirklī mainīt citu stāvokli, pat ja starp tiem nav fiziskas saiknes.

Vakuuma sistēma, ko izmanto supravadošu ķēžu izveidošanai. Džūlija Bidvela

Plašāka informācija par to ir sniegta mūsu kvantu skaitļošanas skaidrojumā. Tomēr galvenais, kas jāzina, ir tas, ka tas ļauj kubitiem darboties tā, it kā tie vienlaikus veiktu daudzus aprēķinus, kas parastam datoram būtu jāveic secīgi. Tas nozīmē, ka papildu kubitu pievienošana kvantu mašīnai palielina tās apstrādes jaudu eksponenciāli.

Šoelkopfs ir saņēmis atzinību arī par darbu pie trokšņa problēmas. Kubitu koherences laiki, tas ir, cik ilgi tie var veikt aprēķinus, pirms troksnis izjauc to trauslo kvantu stāvokli, ir uzlabojušies par 10 reizēm aptuveni ik pēc trim gadiem. (Pētnieki šo tendenci nosaukuši par Šolkopfa likumu, atsaucoties uz klasiskās skaitļošanas Mūra likumu, kas nosaka, ka tranzistoru skaits silīcija mikroshēmā dubultojas ik pēc diviem gadiem.) Brendans Dikinsons no Canaan Partners, viens no Quantum Circuits investoriem, saka Schoelkopf's. iespaidīgie sasniegumi supravadītāju kubitu jomā ir viens no galvenajiem iemesliem, kāpēc tā nolēma atbalstīt biznesu, kas līdz šim ir piesaistījis 18 miljonus USD.

Ironiski, daži studenti, kurus vadīja Šoelkopfs un viņa līdzdibinātāji no Jēlas Mišels Devorets un Luidži Fruncio, tagad strādā tādos uzņēmumos kā IBM un Rigetti, kas konkurē ar savu starta uzņēmumu. Šoelkopfs nepārprotami lepojas ar kvantu diasporu, kas nākusi no Jēlas laboratorijas. Viņš man pastāstīja, ka pirms dažiem gadiem viņš bija apskatījis visas organizācijas visā pasaulē, kas nodarbojas ar supravadītāju kubitu izstrādi, un atklāja, ka vairāk nekā pusi no tām vadīja cilvēki, kas tur pavadījuši laiku. Bet viņš arī uzskata, ka ir iestājusies sava veida grupas domāšana.

Modulāro mašīnu priekšrocības

Lielākā daļa pētnieku, kas strādā pie supravadošām mašīnām, koncentrējas uz to, lai vienā mikroshēmā izveidotu pēc iespējas vairāk kubitu. Quantum Circuits pieeja ļoti atšķiras no šī standarta. Tās sistēmas kodols ir neliels alumīnija modulis, kas satur supravadošās shēmas, kas izgatavotas uz silīcija vai safīra mikroshēmām. Katrs modulis satur piecus līdz 10 kubitus.

Lai savienotu šos moduļus lielākos datoros, uzņēmums izmanto to, kas izklausās pēc kaut kā neparastas Zvaigžņu ceļš - kvantu teleportācija. Tā ir metode, kas izstrādāta datu nosūtīšanai pa telekomunikāciju tīkliem. Pamatideja ietver mikroviļņu fotona sapīšanu vienā modulī ar fotonu citā un pēc tam saites starp tiem izmantošanu kā tiltu datu pārsūtīšanai. (Mums ir arī kvantu teleportācijas skaidrotājs.) Quantum Circuits ir izmantojis šo pieeju, lai teleportētu loģikas vārtu kvantu versiju starp saviem moduļiem.

Schoelkopf saka, ka ir vairāki iemesli, kāpēc tīkla moduļu savienošana kopā ir labāka nekā vienā mikroshēmā ievietot pēc iespējas vairāk kubitu. Katras vienības mazākais mērogs atvieglo sistēmas vadību un kļūdu labošanas paņēmienu piemērošanu. Turklāt, ja daži kubiti atsevišķā modulī sabojājas, ierīci var noņemt vai izolēt, neietekmējot citus ar to savienotos tīklus; ja tie visi atrodas vienā mikroshēmā, iespējams, ka visa lieta ir jālikvidē.

Vafele, ko izmanto, lai izveidotu kubitus Quantum Circuits datoros. Džūlija Bidvela

Raugoties nākotnē, Quantum Circuits modulārajām iekārtām joprojām būs nepieciešams tāds pats aprīkojums kā konkurentu mašīnām, tostarp pārdzesēšanas ledusskapji un uzraudzības aprīkojums. Taču, tā kā tie mērogojas, tiem nevajadzētu būt tuvu tāda paša veida vadības vadiem un citai piederumiem, kas nepieciešami atsevišķu kubitu apgūšanai. Tātad, lai gan konkurējošās ierīces varētu arvien vairāk izskatīties pēc masīvajiem agrīnajiem lieldatoriem, starta iekārtām vajadzētu palikt līdzīgām tām, kas bija novājinātas, un tās parādījās kā parastā skaitļošana, kas attīstījās 1970. gados un vēlāk.

Klausoties Schoelkopf sarunas, izmantojot tehnoloģiju, manā galvā iezagās attēls: mani bērni bērnībā spēlējās ar plastmasas Lego klucīšiem, saskrūvējot tos kopā, lai celtu pilis un fortus.

Kad es ierosināju salīdzināt, Schoelkopf sākotnēji bija nedaudz piesardzīgs, bet pēc tam kļuva diezgan entuziasts. Viņš teica, ka kopumā katra sarežģīta ierīce, ko es pazīstu, ir balstīta uz to, ka tai ir līdzvērtīgs Lego klucīšs, un jūs definējat saskarnes un to saderību… [Lego klucīši] ir patiešām lēti. Tos var ražot masveidā. Un tie vienmēr savienojas pareizi.

Schoelkopf kvantu moduļiem ir vēl viena būtiska priekšrocība. Katrā no tiem ir trīsdimensiju dobums, kas aiztur vairākus mikroviļņu fotonus. Tie veido tā sauktos quditus, un tie ir kā kubiti, izņemot tos, ka tie glabā vairāk informācijas. Kamēr kubits apzīmē kombināciju viens un 0 , qudit var pastāvēt vairāk nekā divos stāvokļos, piemēram, 0 , viens , un divi tajā pašā laikā. Kvantu datori ar qudits var vienlaikus iegūt vēl vairāk informācijas.

Zinātnieki ir eksperimentējuši ar qudits kādu laiku, taču tos ir sarežģīti ģenerēt un kontrolēt. Schoelkopf saka, ka Quantum Circuits ir atradis veidus, kā konsekventi izveidot augstas kvalitātes shēmas un ievērojami samazināt kļūdas. (Uzņēmums apgalvo, ka tas ir sasniedzis saskaņotības laikus, izmantojot tā dobumus, kas ir desmit līdz 100 reizes garāki nekā supravadošiem kubitiem, kas atvieglo kļūdu labošanu.) Daži kubiti joprojām ir nepieciešami, lai veiktu darbības ar kvidiem un iegūtu no tiem informāciju. , taču viņa pieeja prasa mazāk šo kubitu. Tas savukārt nozīmē, ka kopumā ir nepieciešams mazāk aparatūras.

Kvantu skaitļošana ir plaši atvērts lauks

Quantum Circuits atšķaidīšanas ledusskapja iekšpuse. Pieklājīgi no Quantum Circuits

Quantum Circuits pieeja izklausās pārliecinoši, taču Schoelkopf atsakās precīzi pateikt, kad uzņēmums prezentēs pilnībā funkcionējošu datoru. Viņš arī neatklās, cik kubitu un quditu viņa komandai kopumā ir izdevies iegūt, strādājot kopā.

Jo ilgāks laiks ir nepieciešams, jo vairāk pastāv risks, ka viņa startup aizēnos konkurenti. IBM un Rigetti jau nodrošina uzņēmumiem un pētniekiem piekļuvi saviem kvantu datoriem, izmantojot skaitļošanas mākoni, un tiek baumots, ka Google ir gandrīz pirmais, kas sasniedz kvantu pārākumu jeb punktu, kurā kvantu dators var veikt uzdevumu, kas nav sasniedzams. pat jaudīgākais parastais superdators.

Schoelkopf saka, ka organizācijas, kas vēlas izmēģināt algoritmus Quantum Circuits sistēmā, to varēs izdarīt ļoti drīz un ka kādā brīdī tas savienos mašīnas ar mākoni, kā to ir darījuši IBM un Rigetti. Startēšana nav tikai datoru izveide; tā strādā arī pie programmatūras, kas lietotājiem palīdzēs maksimāli izmantot pamata aparatūru.

Turklāt ir pirmās dienas. Šoelkopfs atzīmē, ka kvantu algoritmi, kas tiek darbināti mākoņpakalpojumos, piemēram, IBM šodien, joprojām ir diezgan vienkārši. Lauks ir plaši atvērts kvantu datoriem un saistītai programmatūrai, kas patiešām var radīt pārmaiņas dažādās jomās, sākot no mākslīgā intelekta lietojumprogrammu turbopūtes līdz molekulu modelēšanai ķīmiķiem.

Paliek daudz jautājumu. Vai Quantum Circuits spēs turpināt ražot izturīgus kubitus un quditus, būvējot daudz lielākas mašīnas? Vai tā var panākt, lai tā kvantu teleportācijas metode darbotos uzticami, jo tā savieno kopā vairākus moduļus? Un vai tās sistēmas, kad tās tiks izlaistas pārdošanai, būs rentablākas ekspluatācijā nekā konkurentu sistēmas? Vēl priekšā ir nozīmīgi fizikas un inženiertehniskie izaicinājumi. Bet, ja Šolkopfs un viņa kolēģi spēs tos pārvarēt, viņi varētu pierādīt, ka galvenais, lai kvantu skaitļošanā kļūtu ļoti liels, ir domāt par maz.

paslēpties