Röð byltinga í skammtafræði
Venjuleg tölva, sem nú er kölluð klassísk eða hefðbundin tölva, vinnur eftir grunnhugtakinu 0 og 1 (núll og eitt). Þegar við spyrjum tölva til að gera verkefni fyrir okkur, td stærðfræðilegan útreikning eða bókun á tíma eða eitthvað sem tengist daglegu lífi, þessu verkefni á tilteknu augnabliki er breytt (eða þýtt) í streng með 0 og 1 (sem er þá kallaður inntak), þetta inntak er unnið með reiknirit (skilgreint sem sett af reglum sem fylgja skal til að klára verkefni á tölvu). Eftir þessa vinnslu kemur nýr strengur af 0s og 1s til baka (kallað úttak) og þetta kóðar fyrir væntanlega niðurstöðu og er þýtt aftur í einfaldari notendavænar upplýsingar sem "svar" við því sem notandinn vildi að tölvan gerði . Það er heillandi að sama hversu snjallt eða snjallt reikniritið kann að virðast og hvernig sem erfiðleikastig verkefnisins gæti verið, þá gerir tölvureiknirit aðeins þetta eina - að vinna með bitastreng - þar sem hver biti er annað hvort 0 eða 1. meðhöndlun á sér stað á tölvunni (við hugbúnaðarenda) og á vélarstigi er þetta táknað með rafrásum (á móðurborði tölvunnar). Í hugtökum vélbúnaðar þegar straumur fer í gegnum þessar rafrásir er hann lokaður og opinn þegar enginn straumur er til staðar.
Klassísk vs skammtatölva
Þess vegna, í klassískum tölvum, er biti eitt stykki af upplýsingum sem getur verið til í tveimur mögulegum ástandi - 0 eða 1. Hins vegar, ef við tölum um skammtafræði tölvur, þeir nota venjulega skammtabita (einnig kallaðir 'qubits'). Þetta eru skammtakerfi með tvö ástand, en ólíkt venjulegum bita (geymdur sem 0 eða 1), geta qubitar geymt miklu meiri upplýsingar og geta verið til í hvaða tilgátu sem er um þessi gildi. Til að útskýra á betri hátt má líta á qubit sem ímyndaða kúlu, þar sem qubit getur verið hvaða punktur sem er á kúlu. Segja má að skammtafræði nýti sér getu undiratómaagna til að vera til í fleiri en einu ástandi á hverjum tíma og útiloka samt hvor aðra. Á hinn bóginn getur klassískur biti aðeins verið í tveimur ríkjum - til dæmis í lok tveggja skauta kúlu. Í venjulegu lífi getum við ekki séð þessa „yfirstöðu“ því þegar kerfi er skoðað í heild sinni hverfa þessar yfirsetningar og það er ástæðan fyrir því að skilningur á slíkum yfirsetningum er óljós.
Það sem þetta þýðir fyrir tölvurnar er að skammtatölvur sem nota qubits geta geymt mikið magn upplýsinga sem nota minni orku en klassísk tölva og því er hægt að gera aðgerðir eða útreikninga tiltölulega hraðar á skammtatölvu. Svo, klassísk tölva getur tekið 0 eða 1, tveir bitar í þessari tölvu geta verið í fjórum mögulegum stöðum (00, 01, 10 eða 11), en aðeins eitt ástand er táknað á hverjum tíma. Skammtatölva vinnur aftur á móti með agnir sem geta verið í superposition, sem gerir tveimur qubitum kleift að tákna nákvæmlega sömu fjögur ástand á sama tíma vegna eiginleika yfirsetningar sem losar tölvurnar frá „tvíundarþvingunum“. Þetta getur jafngilt því að fjórar tölvur gangi samtímis og ef við bætum þessum qubitum saman þá vex kraftur skammtatölvunnar veldishraða. Skammtatölvur nýta sér líka annan eiginleika skammtaeðlisfræðinnar sem kallast 'skammtaflækja', skilgreind af Albert Einstein, flæking er eiginleiki sem gerir skammtaeindum kleift að tengjast og eiga samskipti óháð staðsetningu þeirra í alheimurinn þannig að breyting á ástandi eins getur samstundis haft áhrif á hinn. Tvíþættir eiginleikar „yfirstöðu“ og „flækja“ eru mjög öflugir í grundvallaratriðum. Þess vegna er ólýsanlegt hvað skammtatölva getur náð í samanburði við klassískar tölvur. Þetta hljómar allt mjög spennandi og einfalt, en það er vandamál í þessari atburðarás. Ef skammtatölva tekur qubita (yfirbita) sem inntak, verður úttak hennar líka í skammtatöluástandi, þ.e. úttak sem hefur ofangreinda bita sem geta einnig haldið áfram að breytast eftir því í hvaða ástandi hún er. Það gerir okkur í rauninni kleift að taka á móti öllum upplýsingum og því er stærsta áskorunin í list skammtatölvunnar að finna leiðir til að fá eins miklar upplýsingar úr þessari skammtaútgáfu.
Quantum tölva verður hér!
Hægt er að skilgreina skammtatölvur sem öflugar vélar, byggðar á meginreglum skammtafræðinnar sem taka alveg nýja nálgun við úrvinnslu upplýsinga. Þeir leitast við að kanna flókin náttúrulögmál sem hafa alltaf verið til en hafa yfirleitt haldist hulin. Ef hægt er að kanna slík náttúrufyrirbæri getur skammtafræði keyrt nýjar gerðir af reikniritum til að vinna úr upplýsingum og það gæti leitt til nýstárlegra byltinga í efnisfræði, lyfjauppgötvun, vélfærafræði og gervigreind. Hugmyndin að skammtatölvu var sett fram af bandaríska fræðilega eðlisfræðingnum Richard Feynman allt aftur árið 1982. Og í dag eru tæknifyrirtæki (eins og IBM, Microsoft, Google, Intel) og fræðistofnanir (eins og MIT og Princeton University) að vinna að skammtafræði. tölvufrumgerð til að búa til almenna skammtatölvu. International Business Machines Corp. (IBM) hefur nýlega sagt að vísindamenn þess hafi byggt upp öflugan skammtatölvunarvettvang og hægt sé að gera hann aðgengilegan til aðgangs en taka fram að það er ekki nóg til að framkvæma flest verkefnin. Þeir segja að 50 qubit frumgerð sem nú er verið að þróa geti leyst mörg vandamál sem klassískar tölvur gera í dag og í framtíðinni myndu 50-100 qubit tölvur að miklu leyti fylla skarðið þ.e. skammtatölva með örfá hundruð qubita myndi geta framkvæma fleiri útreikninga samtímis en það eru frumeindir í þekktu alheimurinn. Raunhæft séð er leiðin þangað sem skammtatölva getur raunverulega staðið sig betur en klassísk tölva við erfið verkefni hlaðin erfiðleikum og áskorunum. Nýlega hefur Intel lýst því yfir að nýja 49-bita skammtatölva fyrirtækisins hafi verið skref í átt að þessari „skammta-yfirburði“, í miklum framförum fyrir fyrirtækið sem hafði sýnt 17-bita qubit-kerfi fyrir aðeins 2 mánuðum síðan. Forgangsverkefni þeirra er að halda áfram að stækka verkefnið, byggt á þeim skilningi að fjölgun qubita er lykillinn að því að búa til skammtatölvur sem geta skilað raunverulegum árangri.
Efni er lykilatriði til að byggja skammtatölvu
Efnið kísill hefur verið órjúfanlegur hluti af tölvumálum í áratugi vegna þess að lykilmöguleikar þess gera það að verkum að það hentar vel fyrir almenna (eða klassíska) tölvuvinnslu. Hins vegar, hvað skammtatölvuna varðar, hafa kísillausnir ekki verið teknar upp aðallega af tveimur ástæðum, í fyrsta lagi er erfitt að stjórna qubitum sem eru framleiddir á sílikoni og í öðru lagi er enn óljóst hvort sílikon qubitar gætu stækkað eins og aðrir lausnir. Í miklum framförum hefur Intel þróað mjög nýlega1 ný tegund af qubit sem kallast „spin qubit“ sem er framleidd á hefðbundnum sílikoni. Spin qubits líkjast mjög hálfleiðara rafeindatækni og þeir skila skammtaafli sínu með því að nýta snúning einnar rafeindar á sílikontæki og stjórna hreyfingunni með örbylgjupúlsum. Tveir helstu kostir sem leiddu til þess að Intel fór í þessa átt eru, í fyrsta lagi er Intel sem fyrirtæki þegar mikið fjárfest í kísiliðnaði og hefur því rétta sérþekkingu á kísil. Í öðru lagi eru kísilkubbar gagnlegri vegna þess að þeir eru minni en hefðbundnir qubitar og búist er við að þeir haldi samhengi í lengri tíma. Þetta er afar mikilvægt þegar stækka þarf skammtatölvunakerfi (td fara úr 100 qubit í 200 qubit). Intel er að prófa þessa frumgerð og fyrirtækið býst við að framleiða flís með þúsundum lítilla qubit fylkja og slík framleiðsla þegar hún er unnin í lausu getur verið mjög góð til að stækka skammtatölvurnar og getur verið raunverulegur gamechanger.
Í nýlegri rannsókn sem birt var í Vísindi, nýhannað mynstur fyrir ljóseindakristalla (þ.e. kristalhönnun útfærð á ljóseindaflís) hefur verið þróað af teymi við háskólann í Maryland, Bandaríkjunum, sem þeir halda fram að muni gera skammtatölvur aðgengilegri2. Þessar ljóseindir eru minnsta magn ljóss sem vitað er um og þessir kristallar voru greyptir í göt sem veldur víxlverkun ljóssins. Mismunandi gatamynstur breyta því hvernig ljósið beygist og skoppar í gegnum kristalinn og hér voru þúsund þríhyrningslaga göt gerð. Slík notkun stakra ljóseinda er mikilvæg fyrir ferlið við að búa til skammtatölvur vegna þess að tölvurnar munu þá hafa getu til að reikna út stórar tölur og efnahvörf sem núverandi tölvur geta ekki gert. Hönnun flíssins gerir það að verkum að flutningur ljóseinda á milli skammtatölva getur átt sér stað án nokkurs taps. Þetta tap hefur einnig verið litið á sem stór áskorun fyrir skammtatölvur og þannig sér þessi flís um málið og gerir skilvirka leið til skammtafræði upplýsingar frá einu kerfi í annað.
Framtíð
Skammtatölvur lofa að keyra útreikninga miklu umfram allar hefðbundnar ofurtölvur. Þeir hafa tilhneigingu til að gjörbylta uppgötvun nýrra efna með því að gera það mögulegt að líkja eftir hegðun efnis niður á atómstigi. Það byggir einnig upp von um gervigreind og vélfærafræði með því að vinna gögn hraðar og skilvirkari. Að afhenda viðskiptalega hagkvæmt skammtatölvunakerfi gæti verið gert af öllum helstu stofnunum á næstu árum þar sem þessar rannsóknir eru enn opnar og sanngjarn leikur fyrir alla. Búist er við meiriháttar tilkynningum á næstu fimm til sjö árum og helst talað um röð framfara sem verið er að gera, ætti að bregðast við verkfræðilegum vandamálum og 1 milljón eða fleiri qubits skammtatölva ætti að vera að veruleika.
***
{Þú getur lesið upprunalegu rannsóknarritgerðina með því að smella á DOI hlekkinn sem gefinn er upp hér að neðan á listanum yfir tilvitnaðar heimildir}
Heimildir)
1. Castelvecchi D. 2018. Kísill haslar sér völl í skammtatölvukapphlaupi. Náttúran. 553 (7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. o.fl. 2018. Topological skammtaljósfræði tengi. Vísindi. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
