Kvantový skok: Vědci společnosti IBM položili základy praktického škálovatelného kvantového počítače

Anonim

Kvantový skok: Vědci společnosti IBM položili základy praktického škálovatelného kvantového počítače

Quantum Computing

Dario Borghino

30. dubna 2015

2 obrázky

První pracovní kvantový počítač by mohl být mnohem blíže k realitě díky dvěma zásadním pokrokům od výzkumných pracovníků IBM (Foto: IBM)

Vědci společnosti IBM představili dva zásadní pokroky ve vytváření praktického kvantového počítače: účinný způsob detekce a opravy kvantových chyb a návrh křemíkové čipy, která se může rozšiřovat o velké množství zapletených kvantových bity.

Výkon kvantové výpočetní techniky

Tranzistory v klasických počítačích se mohou dosud jen zmenšit. Současná generace tranzistorů má velikost 14 nanometrů, což znamená, že mezi tranzistory "source " a "drain, " jsou oba konce elektronického přepínače pouze asi třicet atomů křemíku. Jakmile se toto číslo sníží pouze na zhruba čtyři nebo pět atomů křemíku, neurčitost vyvolaná kvantovými mechanickými efekty znemožní takový přepínač správně fungovat. Elektrony spontánně a náhodně skočí z jednoho konce druhého nepředvídatelným způsobem, čímž vytvoří proud i když je vypínač vypnutý.

Myšlenka kvantových počítačů - nejprve pokročila Richardem Feynmannem v roce 1981 - je spíše využít kvantové efekty, než aby je viděli jako překážku. Toto není děláno budováním pokročilejšího tranzistoru, nýbrž využitím mnohem většího potenciálu kvantové informace.

V podivném a nádherném světě kvantové výpočty může kvantový kousek nebo qubit získat dvě hodnoty (0 a 1) ve stejnou dobu. Když jsou dva nebo více qubits propojeny ve speciálním "zapleteném " stavu, tato vlastnost se rozšiřuje a moc qubits roste exponenciálně. Deset plně zamotaných qubitů bude schopno ukládat tolik informací, kolik je 1 024 klasických bitů; 33 qubits by mohlo uložit jeden gigabajt; a 300 plně zamotaných qubits by ukládalo tolik klasických bitů, kolik atomů ve vesmíru existuje.

Rozhodující však je, že ačkoli informace, které qubits obsahují, rostou exponenciálně, budeme ji stále moci manipulovat pomocí několika operací, které jsou polynomiální funkcí počtu qubitů. Jinými slovy - exponenciální urychlení, ve velmi doslovném smyslu.

Kvantový počítač by nebyl univerzálně rychlejší pro nějaký algoritmus, ale ukázal by exponenciální urychlení pro vyhledávání a manipulaci s velkými daty, prováděním kryptografie dat, analýzou skládání bílkovin s cílem navrhnout lepší léky, simulovat časný vesmír a poskytovat mnohem přesnější předpovědi počasí, mezi mnoha jinými věcmi.

Qubits jsou fiktivní

Náš úspěch při vytváření praktického kvantového počítače bude do značné míry záviset na naší schopnosti udržet všechny qubity ve velmi jemném zapleteném stavu a opravit chyby efektivně a spolehlivě.

Data stahovaná z internetu nebo uložená na našich pevných discích procházejí algoritmy, které detekují a opravují tzv. "Bitové překážky", k nimž dochází při chybném změně hodnoty z 1 na 0 nebo naopak.

Chyby se v klasických výpočtech vyskytují velmi zřídka, jsou však klíčovým problémem pro kvantový počítač. Zapletené qubity jsou mnohem jemnější a mohou být silně ovlivněny malými změnami teploty a elektromagnetického záření. Kvantové kousky jsou také předmětem bitů, ale k tomu přidávají další rozměr možných chyb, označovaných jako "fázový flip", který ovlivňuje způsob, jakým jsou státy zapletené. Chcete-li ještě něco zhoršit, čtení četby kvt, aby se opravila, se sráží její kvantový stav buď na 0 nebo na 1.

Zatím se vědci dokáží zabývat pouze bitovými flipy nebo fázemi, ale nikdy oba zároveň.

Opravovat chyby

V tom, co by mohlo být velkým předstihem ve světě kvantové výpočetní techniky, vědci IBM nyní našli způsob, jak současně detekovat oba typy kvantových chyb a ukázali svůj pokrok na skutečném čipu se čtyřmi čbičkami, který vytvořili.

Okruh je založen na čtvercové mřížce ze čtyř supravodivých qubits na čipu, který má velikost zhruba čtvrtinový palec (6 mm). Qubits jsou rozděleny do dvou dat qubits, které nesou aktuální informace a dva takzvané "syndrom qubits, ", které jsou nezávislé (ne zamotané) a provádí kontrolu chyb na dvou dat qubits.

Existuje velmi dobrý důvod, proč mají qubity být uloženy v matici. Kvůli čtení qubits bez toho, aby byli zničeni, vědci přijali techniku ​​opravy chyb, která šíří kvantové informace napříč více kvabity, ale - rozhodně - pouze na jejich nejbližšího souseda.

Předchozí techniky pro opravu chyby ukládaly qubits do pole, a proto mohly opravit pouze pro bitové flipy nebo fázové převrácení, ale ne oba. Rozložení matice umožňuje qubitům mít více sousedů, což znamená, že oba typy oprav chyb mohou probíhat současně.

Co bude dál?

Čtvercový čip byl navržen a vyroben za použití standardních technik výroby křemíku a výzkumníci tvrdí, že očekávají, že budou schopni ukázat účinnou korekci chyb i na zvětšeném provedení čipu, který zpracovává více qubits.

Pokud je to pravda, hlavní zbývající překážka praktického kvantového počítače by mohla být spolehlivě vytvářet supravodivé bity, které mají dostatečně nízké míry chyb, aby technika IBM byla účinná.

Pokrok je popsán v dnešním vydání vědeckého časopisu Nature Communications .

Zdroj: IBM

První pracovní kvantový počítač by mohl být mnohem blíže k realitě díky dvěma zásadním pokrokům od výzkumných pracovníků IBM (Foto: IBM)

Čip je vyroben z křemíku, vyrobený standardními průmyslovými metodami a škálovatelný (Photo: IBM)