Serie av gjennombrudd innen kvanteberegning
En vanlig datamaskin, som nå omtales som en klassisk eller tradisjonell datamaskin, fungerer etter det grunnleggende konseptet 0-er og 1-ere (nuller og enere). Når vi spør datamaskin for å gjøre en oppgave for oss, for eksempel en matematisk beregning eller bestilling av en avtale eller noe relatert til dagliglivet, blir denne oppgaven i det gitte øyeblikket konvertert (eller oversatt) til en streng med 0-er og 1-ere (som da kalles input), behandles denne inngangen av en algoritme (definert som et sett med regler som skal følges for å fullføre en oppgave på en datamaskin). Etter denne behandlingen returneres en ny streng med 0s og 1s (kalt output), og denne koder for det forventede resultatet og blir oversatt tilbake til enklere brukervennlig informasjon som et "svar" på hva brukeren ønsket at datamaskinen skulle gjøre . Det er fascinerende at uansett hvor smart eller smart algoritmen kan virke og hva som enn er vanskelighetsgraden til oppgaven, gjør en datamaskinalgoritme bare denne ene tingen – å manipulere en streng med biter – der hver bit er enten 0 eller 1. manipulasjon skjer på datamaskinen (ved programvareenden) og på maskinnivå er dette representert av elektriske kretser (på datamaskinens hovedkort). I maskinvareterminologi når strøm passerer gjennom disse elektriske kretsene, er den lukket og er åpen når det ikke er strøm.
Klassisk vs Quantum datamaskin
Derfor, i klassiske datamaskiner, er en bit en enkelt informasjon som kan eksistere i to mulige tilstander – 0 eller 1. Men hvis vi snakker om quantum datamaskiner bruker de vanligvis kvantebiter (også kalt 'qubits'). Dette er kvantesystemer med to tilstander, men i motsetning til den vanlige biten (lagret som 0 eller 1), kan kvantebiter lagre mye mer informasjon og kan eksistere i enhver antagelse om disse verdiene. For å forklare på en bedre måte, kan en qubit betraktes som en imaginær sfære, der qubit kan være et hvilket som helst punkt på sfæren. Det kan sies at kvanteberegning utnytter evnen til subatomære partikler til å eksistere i mer enn én tilstand til enhver tid og fortsatt være gjensidig utelukkende. På den annen side kan en klassisk bit bare være i to tilstander - for eksempel ved enden av to poler av sfæren. I det vanlige livet er vi ikke i stand til å se denne 'superposisjonen' fordi når et system først er sett i sin helhet, forsvinner disse superposisjonene og dette er grunnen til at forståelsen av slike superposisjoner er uklar.
What this means for the computers is that quantum computers using qubits can store a huge amount of information using lesser energy than a classical computer and thus operations or calculations can be relatively done much faster on a quantum computer. So, a classical computer can take a 0 or 1, two bits in this computer can be in four possible states (00, 01, 10 or 11), but only one state is represented at any given time. A quantum computer, on the other hand works with particles that can be in superposition, allowing two qubits to represent the exact same four states at the same time because of the property of superposition freeing up the computers from ‘binary constraint’. This can be equivalent to four computers running simultaneously and if we add these qubits, the power of the quantum computer grows exponentially. Quantum computers also take advantage of another property of quantum physics called ‘quantum entanglement’, defined by Albert Einstein, entanglement is a property which allows quantum particles to connect and communicate regardless of their location in the univers so that changing the state of one may instantaneously affect the other. The dual capabilities of ‘superposition’ and ‘entanglement’ are quite powerful in principle. Therefore, what a quantum computer can achieve is unimaginable when compared to classical computers. This all sounds very exciting and straightforward, however, there is problem in this scenario. A quantum computer, if takes qubits (superposed bits) as its input, its output will also be similarly in a quantum state i.e. an output having superposed bits which can also keep changing depending on what state it is in. This kind of output doesn’t really allow us to receive all the information and therefore the biggest challenge in the art of quantum computing is to find ways of gaining as much information from this quantum output.
Quantecomputer vil være her!
Quantum computers can be defined as powerful machines, based on the principals of quantum mechanics that take a completely new approach to processing information. They seek to explore complex laws of nature that have always existed but have usually remained hidden. If such natural phenomena can be explored, quantum computing can run new types of algorithms to process information and this could lead to innovative breakthroughs in materials science, drug discovery, robotics and artificial intelligence. The idea of a quantum computer was proposed by American theoretical physicist Richard Feynman way back in 1982. And today, technology companies (such as IBM, Microsoft, Google, Intel) and academic institutions (like MIT, and Princeton University) are working on quantum computer prototypes to create a mainstream quantum computer. International Business Machines Corp. (IBM) has said recently that its scientists have built a powerful quantum computing platform and it can be made available for access but remark that it’s not enough for performing most of the tasks. They say that a 50-qubit prototype which is currently being developed can solve many problems which classical computers do today and in the future 50-100 qubit computers would largely fill the gap i.e. a quantum computer with just a few hundred qubits would be able to perform more calculations simultaneously than there are atoms in the known univers. Realistically speaking, the path to where a quantum computer can actually outperform a classical computer on difficult tasks is laden with difficulties and challenges. Recently Intel has declared that the company’s new 49-qubit quantum computer represented a step towards this “quantum supremacy”, in a major advancement for the company who had demonstrated a 17-bit qubit system only just 2 months ago. Their priority is to keep expanding the project, based upon the understanding that expanding number of qubits is the key to creating quantum computers that can deliver real-world results.
Materiale er nøkkelen for å bygge kvantedatamaskiner
Materialet silisium har vært en integrert del av databehandling i flere tiår fordi dets nøkkelsett med muligheter gjør det godt egnet for generell (eller klassisk) databehandling. Når det gjelder kvanteberegning, har imidlertid ikke silisiumbaserte løsninger blitt tatt i bruk hovedsakelig på grunn av to årsaker, for det første er det vanskelig å kontrollere qubits produsert på silisium, og for det andre er det fortsatt uklart om silisium-qubits kan skaleres like godt som andre løsninger. I et stort fremskritt har Intel helt nylig utviklet1 en ny type qubit kjent som en 'spin qubit' som produseres på konvensjonelt silisium. Spinn-qubits ligner mye på halvlederelektronikk, og de leverer kvantekraften sin ved å utnytte spinnet til et enkelt elektron på en silisiumenhet og kontrollere bevegelsen med små mikrobølgepulser. To store fordeler som førte til at Intel beveget seg i denne retningen er, for det første er Intel som selskap allerede tungt investert i silisiumindustrien og har dermed den rette kompetansen på silisium. For det andre er silisium qubits mer fordelaktige fordi de er mindre enn konvensjonelle qubits, og de forventes å holde sammenheng i lengre tid. Dette er av største betydning når kvantedatasystemer må skaleres opp (f.eks. går fra 100-qubit til 200-qubit). Intel tester denne prototypen, og selskapet forventer å produsere brikker med tusenvis av små qubit-arrayer, og en slik produksjon når den gjøres i bulk kan være veldig bra for å skalere opp kvantedatamaskinene og kan være en ekte gamechanger.
I en fersk forskning publisert i Vitenskap, er et nydesignet mønster for fotoniske krystaller (dvs. et krystalldesign implementert på en fotonisk brikke) utviklet av et team ved University of Maryland, USA, som de hevder vil gjøre kvantedatamaskiner mer tilgjengelige2. Disse fotonene er den minste mengden lys som er kjent, og disse krystallene var forankret med hull som får lyset til å samhandle. Ulike hullmønstre endrer måten lyset bøyer og spretter gjennom krystallen og her ble det laget tusenvis av trekantede hull. En slik bruk av enkeltfotoner er viktig for prosessen med å lage kvantedatamaskiner fordi datamaskinene da vil ha evnen til å beregne store tall og kjemiske reaksjoner som dagens datamaskiner ikke er i stand til å gjøre. Brikkens design gjør det mulig for overføring av fotoner mellom kvantedatamaskiner å skje uten tap. Dette tapet har også blitt sett på som en stor utfordring for kvantedatamaskiner, og dermed tar denne brikken seg av problemet og muliggjør effektiv rute for quantum informasjon fra ett system til et annet.
Future
Kvantedatamaskiner lover å kjøre beregninger mye utover alle konvensjonelle superdatamaskiner. De har potensial til å revolusjonere oppdagelsen av nye materialer ved å gjøre det mulig å simulere atferden til materie ned til atomnivå. Det bygger også opp håp for kunstig intelligens og robotikk ved å behandle data raskere og mer effektivt. Å levere et kommersielt levedyktig kvantedatabehandlingssystem kan gjøres av alle større organisasjoner i de kommende årene siden denne forskningen fortsatt er åpen og et rettferdig spill for alle. Store kunngjøringer er ventet i løpet av de kommende fem til syv årene, og ideelt sett med rekken av fremskritt som gjøres, bør tekniske problemer løses og en 1 million eller flere qubits kvantedatamaskin bør være en realitet.
***
{Du kan lese den originale forskningsoppgaven ved å klikke på DOI-lenken nedenfor i listen over siterte kilder}
Source (s)
1. Castelvecchi D. 2018. Silisium vinner terreng i kvanteberegningsløp. Natur. 553 (7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Et topologisk kvanteoptikkgrensesnitt. Vitenskap. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
