การพันกันของอะตอมประเภทต่างๆ อาจเป็นหนทางข้างหน้าสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม
เมื่อสัปดาห์ที่แล้วกลุ่มวิจัยสองกลุ่ม กลุ่มหนึ่งอยู่ที่สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) ในเมืองโบลเดอร์ พ.อ. และอีกกลุ่มหนึ่งที่มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ดรายงานการทดลองที่อนุภาคของสปีชีส์ต่างๆ พันกันเป็นครั้งแรก
อนุภาคที่พันกัน—ซึ่งคุณสมบัติของควอนตัมยังคงเชื่อมโยงกัน แม้ว่าจะแยกจากกัน (โดยหลักการ) ด้วยระยะทางระหว่างกาแล็กซี—จะก่อตัวเป็นหน่วยการสร้างของคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคต จนถึงขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้เข้าไปพัวพันกับโฟตอน อิเล็กตรอน และไอออนของสปีชีส์เดียวกัน กลุ่ม NIST รายงาน ในวารสารNature ว่าพวกเขาประสบความสำเร็จในการ พัวพันกับแมกนีเซียมไอออนและเบริลเลียมไอออน และใช้คู่ที่พันกันเพื่อสาธิตการดำเนินการทางควอนตัมที่สำคัญ 2 อย่างได้แก่ประตูCNOTและSWAP นักวิทยาศาสตร์ที่อ็อกซ์ฟอร์ดได้รับผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกันกับไอออนของแคลเซียม-40 และแคลเซียม-43 และยังทำการทดสอบเพื่อพิสูจน์ว่าทั้งคู่ถูกพันกันอย่างเหมาะสม พวกเขายังรายงานผลในธรรมชาติ .
ไอออน เนื่องจากประจุไฟฟ้าบวก สามารถติดอยู่ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแบบไขว้ของสิ่งที่เรียกว่ากับดักพอลซึ่งทั้งสองกลุ่มใช้เพื่อพัวพันกับไอออน กับดัก Paul นั้นโดยพื้นฐานแล้วคือหลอดแก้วขนาดเล็กที่มีอิเล็กโทรดที่จ่ายสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่บังคับไอออนให้อยู่ในตำแหน่งพลังงานต่ำสุด ห่างกันไม่กี่ไมโครเมตร Ting Rei Tan นักฟิสิกส์จาก NIST ผู้มีส่วนร่วมในการวิจัยอธิบายว่ากับดัก Paul ถูกวางไว้ในห้องสุญญากาศขนาดใหญ่หนึ่งควิบิกเมตรเพื่อลดอิทธิพลของโมเลกุลอากาศแวดล้อมที่จะทำลายการพัวพันของไอออนที่ติดอยู่
เมื่อไอออนถูกดักจับแล้ว นักวิทยาศาสตร์ก็ยิงพวกมันพร้อมกันด้วยเลเซอร์พัลส์ ซึ่งทำให้พวกมันพันกันนานพอสำหรับการทดสอบ และด้วยพัลส์ที่ตรวจสอบสถานะควอนตัมของทั้งคู่ เนื่องจากไอออนมีความแตกต่างกัน และตอบสนองต่อความยาวคลื่นของแสงที่แตกต่างกัน จึงสามารถตรวจวัดไอออนเหล่านี้ได้อย่างอิสระ ไอออนหนึ่งมีความไวต่อชีพจรในขณะที่อีกไอออนหนึ่งไม่ได้รับผลกระทบจากมัน
พวกเขาตอบสนองแตกต่างกันในทางอื่นเช่นกัน หนึ่งไอออนจะต้องมีการแหย่อย่างยิ่งก่อนที่จะเปลี่ยนสถานะควอนตัมของมัน แต่ยังคงอยู่ในสถานะ qauntum ใหม่สำหรับเวลาของความสะดวกสบายอีกต่อไปdecoherenceเวลาเป็นเวลานาน ไอออนอีกตัวหนึ่งไวต่อสิ่งรบกวนจากภายนอกมาก แต่จะแยกตัวออกอย่างรวดเร็ว
พฤติกรรมควอนตัมที่เล่นโวหารนี้อาจแก้ปัญหาทั่วไปในการคำนวณควอนตัม Chris Ballance ผู้ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่ม Oxford กล่าว:
“คุณมีข้อกำหนดที่ขัดแย้งกันสองข้อนี้: คุณต้องการระบบที่ค่อนข้างแยกจากสภาพแวดล้อมได้อย่างดี เพื่อที่สถานะควอนตัมของคุณจะไม่ถูกรบกวนจากสิ่งที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมรอบๆ คุณยังต้องการให้ระบบจับคู่กับสิ่งแวดล้อมอย่างมากเมื่อคุณต้องการจัดการกับมัน คุณต้องการให้สามารถกดปุ่มและเปลี่ยนบางส่วนของสถานะควอนตัมของคุณ ซึ่งเกี่ยวข้องกับสภาพแวดล้อมที่เข้ามาและโต้ตอบกับระบบของคุณอย่างมาก”
ด้วยวิธีนี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถระบุสองหน้าที่ของการคำนวณควอนตัมด้วยคู่ที่พันกันหนึ่งคู่: การควบคุม qubits และการจัดเก็บข้อมูลลงในหน่วยความจำ Qubits อ่อนไหวต่อสิ่งแวดล้อมมีอายุสั้น ในขณะที่ qubits ที่ไม่อ่อนไหวต่อโลกภายนอกจะรักษาสถานะที่พันกัน ข้อมูลจึงยาวนานกว่ามาก
“วิธีนี้ทำให้เรามีเค้กของเราและสามารถกินได้เช่นกัน เรามีระบบที่สัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมอย่างมาก และระบบที่แยกจากกันซึ่งมีหน่วยความจำที่ดี” Ballance กล่าว
แม้ว่านี่จะเป็นขั้นตอนที่สำคัญ แต่การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมโดยใช้คู่ดังกล่าวยังคงเป็นงานที่น่ากลัว “เรากำลังใช้ขั้นตอนแรกสำหรับทารก… คอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคตจะต้องใช้ควอนตัมบิตอีกมาก อาจเป็นหลายร้อยบิต” Tan จาก NIST กล่าว
มีสองวิธีที่เป็นไปได้ในการเชื่อมโยง qubits ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมดังกล่าว กับดัก Paul ขนาดใหญ่ที่มีคอมพิวเตอร์ทั้งเครื่อง หรือใช้ “flying qubits” ตาม Ballance:
“วิธีแรกคือสร้างกับดัก Paul ที่ซับซ้อนจริงๆ ด้วยอิเล็กโทรดจำนวนมาก ซึ่งคุณสามารถเปิดและปิดประตู และย้ายไอออนไปมาได้ คุณสามารถจินตนาการได้ว่าเป็นตารางที่ซับซ้อนมากของถนนในเมือง โดยมีอิเล็กโทรดเคลื่อนที่ และผลักไอออนไปรอบๆ ในส่วนต่างๆ ของกับดัก อีกวิธีหนึ่งคือสร้างกับดักขนาดเล็กจำนวนมาก และจากนั้นใช้อินเทอร์เฟซ qubits เพื่อส่งโฟตอนควบคู่ไปกับเส้นใยแก้วนำแสงที่เชื่อมโยงระบบขนาดเล็กจำนวนมากเหล่านี้เข้าด้วยกัน”
ในการสร้าง Majorana fermions ด้วยวัสดุชุดนี้ จำเป็นต้องสร้างเครือข่ายของ nanowires สร้างอุปกรณ์ระดับนาโนรอบเครือข่ายนั้น แล้วแนบหน้าสัมผัสตัวนำยิ่งยวดที่ทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าเกตเหมือนในทรานซิสเตอร์ จากนั้นจึงจำเป็นต้องทำให้อุปกรณ์เย็นลงที่อุณหภูมิมิลลิเคลวินและใช้สนามแม่เหล็กขนาดเทสลา
“กลุ่มของเรามีวิธีการที่ไม่เหมือนใครในการสร้าง Majorana fermions; ขั้นตอนที่ตามมาหลังจากเส้นลวดนาโนได้รับการสังเคราะห์จะไม่ซ้ำกัน” อธิบาย Sergey Frolov ศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยพิตส์เบิร์กและผู้เขียนร่วมของกระดาษในการให้สัมภาษณ์อีเมลที่มีมาตรฐาน IEEE Spectrum “เรากำลังประกอบห่วงโซ่ของจุดควอนตัม จุดทั้งหมดถูกกำหนดไว้ในลวดนาโนโดยใช้ประตูไฟฟ้าสถิต ดังนั้นจุดเหล่านี้จึงก่อตัวเป็นโซ่ตามเส้นลวดนาโน ไซต์ปลายทั้งสองของห่วงโซ่กำลังจะมี Majorana fermions”
จนถึงตอนนี้ Frolov และเพื่อนร่วมงานของเขาได้สาธิตโครงสร้างพื้นฐานของสายโซ่นี้: โมเลกุลสองจุด ข้อดีของการสร้างห่วงโซ่คือที่ตั้งของอนุภาคมาจอราน่าแต่ละตัวเป็นที่รู้จักและสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ สิ่งนี้จะมีประโยชน์มากเมื่อทีมพร้อมที่จะถักเปียรัฐ Majorana ตาม Frolov
การถักเปีย Majoranas เกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนสถานที่ตามสายนาโนที่ขอบเขตของวัสดุตัวนำยิ่งยวด ปรากฏการณ์นี้ถูกอ้างถึงในกลศาสตร์ควอนตัมว่าเป็นการแลกเปลี่ยนสถิติของอนุภาค สถิติเหล่านี้อธิบายว่ากลศาสตร์ควอนตัมของระบบเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่ออนุภาคที่แยกความแตกต่างไม่ได้สองตำแหน่งเปลี่ยนตำแหน่ง
จนกระทั่งเมื่อสัปดาห์ที่แล้ว ปัญหาคือการให้ Majoranas แลกเปลี่ยนสถานที่ดูเหมือนจะเป็นงานที่เป็นไปไม่ได้ หากพวกเขามาสัมผัสโดยตรง พวกเขาจะทำลายล้างซึ่งกันและกัน สิ่งที่รายงานเมื่อสัปดาห์ที่แล้วเปิดเผยคือวิธีการของนักวิจัยชาวดัตช์ในการสร้างโครงสร้างแฮชแท็กซึ่งทางแยกสายนาโนสี่ทางมี Majoranas สี่ตัว ในขณะที่พูดอย่างเคร่งครัดโครงสร้างไม่ได้กระตุ้นให้ Majoranas แลกเปลี่ยนสถานที่ แต่ผลกระทบของการใช้กระแสไฟขนาดเล็กไปยังทางแยกสี่ทางทำให้เกิดผลลัพธ์เช่นเดียวกับการแลกเปลี่ยนทางกายภาพ
เครือข่ายแฮชแท็ก nanowires นี้สามารถสร้างพื้นฐานของควอนตัมบิต (qubits) ที่สามารถจัดเก็บและจัดการได้ง่ายๆ โดยการถักเปีย (สลับ) Majoranas สิ่งนี้จะนำเสนอวิธีการที่แข็งแกร่งกว่ามากในการสร้าง qubits เนื่องจาก Majoranas สามารถรักษา superposition ได้นานกว่า qubits ที่เกิดขึ้นจากเทคนิคก่อนหน้านี้ ผลลัพธ์: มีเวลามากขึ้นในการคำนวณ
Frolov ยอมรับว่ายังมีหนทางอีกยาวไกลก่อนที่ Majoranas จะสร้างพื้นฐานของ qubits ที่ใช้ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมทอพอโลยี “ขณะนี้เรากำลังเรียนรู้วิธีควบคุมไวน์ Majorana สองตัว” Frolov กล่าว “โทโพโลยี qubit เดียวต้องใช้ลำดับของ 10 Majorana fermions ดังนั้นเราจึงจำเป็นต้องขยายความพยายามของเราด้วยปัจจัยเพียงไม่กี่ตัวในการเข้าถึงควอนตัมบิตเดียว ในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม เราต้องขยายขนาดตั้งแต่หนึ่งพันถึงหนึ่งล้าน”
ในขณะที่การใช้ Majorana fermions เป็นที่สนใจของทั้งสองสายการวิจัยที่ตีพิมพ์ในสัปดาห์นี้ ทั้งสองทีมมีความสนใจในความหมายอื่นๆ ของงานของพวกเขา
Maja แคสสิดี้ศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยซิดนีย์และผู้เขียนร่วมของการสื่อสารธรรมชาติกระดาษปัญหาในการแถลงข่าวว่าการทำงานของพวกเขาด้วย Majoranas จะเป็นประโยชน์ในระบบ spintronic ที่สปินควอนตัมและไม่เสียค่าใช้จ่ายที่ใช้สำหรับข้อมูลในการ ระบบคลาสสิก
Frolov เชื่อว่างานวิจัยของกลุ่มของเขาสามารถค้นพบสิ่งใหม่ทั้งหมดได้: “เรายังรู้สึกทึ่งกับคุณสมบัติการถักเปียที่ไม่สำคัญ [จากมุมมองที่สามารถนำเสนอ] หลักฐานที่ชัดเจนสำหรับการมีอยู่ของอนุภาคพื้นฐานประเภทที่สามซึ่งไม่ใช่เฟอร์มิออนและ ไม่ใช่โบซอน”
Argonne National LaboratoryและLawrence Livermore National Laboratoryจะเป็นหนึ่งในองค์กรแรกๆ ที่ติดตั้งคอมพิวเตอร์ AI ที่ทำจากซิลิคอนชิปที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยสร้างมา เมื่อเดือนที่แล้วCerebras Systemsได้เปิดตัวชิปขนาด 46,225 มม. พร้อมทรานซิสเตอร์ 1.2 ล้านล้านตัวที่ออกแบบมาเพื่อเพิ่มความเร็วในการฝึกอบรมโครงข่ายประสาทเทียม ในปัจจุบัน การฝึกอบรมดังกล่าวมักดำเนินการในศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่โดยใช้เซิร์ฟเวอร์ที่ใช้ GPU Cerebras วางแผนที่จะเริ่มขายคอมพิวเตอร์ที่ใช้ชิปขนาดโน้ตบุ๊กในไตรมาสที่ 4 ของปีนี้
“โอกาสในการรวมชิป AI ที่ใหญ่ที่สุดและเร็วที่สุดเท่าที่เคยมีมา นั่นคือ Cerebras WSE— เข้ากับโครงสร้างพื้นฐานการประมวลผลขั้นสูงของเรา จะช่วยให้เราสามารถเร่งการวิจัยเชิงลึกด้านวิทยาศาสตร์ วิศวกรรม และสุขภาพได้อย่างมาก” Rick Stevens หัวหน้าฝ่ายคอมพิวเตอร์ที่ Argonne National Laboratory กล่าวในการแถลงข่าว “สิ่งนี้จะช่วยให้เราสามารถคิดค้นและทดสอบอัลกอริทึมได้มากขึ้น สำรวจแนวคิดได้รวดเร็วยิ่งขึ้น และระบุโอกาสสำหรับความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ได้รวดเร็วยิ่งขึ้น”
Argonne และ Lawrence Livermore เป็นหน่วยงานแรกของ DOE ที่เข้าร่วมในสิ่งที่คาดว่าจะเป็นหุ้นส่วนหลายปีและหลายห้องปฏิบัติการ Cerebras วางแผนที่จะขยายไปยังห้องปฏิบัติการอื่นๆ ในอีกไม่กี่เดือนข้างหน้า
คอมพิวเตอร์ Cerebras จะถูกรวมเข้ากับซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่มีอยู่ในห้องปฏิบัติการ DOE สองแห่งเพื่อทำหน้าที่เป็นตัวเร่งความเร็ว AI สำหรับเครื่องจักรเหล่านั้น ในปี 2564 Argonne วางแผนที่จะกลายเป็นบ้านของคอมพิวเตอร์ exascale เครื่องแรกของสหรัฐอเมริกาที่ชื่อว่า Aurora; จะสามารถคำนวณได้มากกว่า 1 พันล้านครั้งต่อวินาที Intel และ Cray เป็นผู้นำในโครงการมูลค่า 500 ล้านดอลลาร์นั้น ห้องปฏิบัติการแห่งชาติเป็นที่ตั้งของMira ซึ่งเป็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทรงอิทธิพลที่สุดอันดับที่ 24ของโลก และTheta ซึ่งมีอำนาจมากที่สุดลำดับที่28 Lawrence Livermore อยู่ในเส้นทางที่จะบรรลุ Exascale ด้วยEl Capitanซึ่งเป็นเครื่อง 1.5-exaflop มูลค่า 600 ล้านดอลลาร์ที่จะเปิดตัวในช่วงปลายปี 2022 ห้องปฏิบัติการนี้ยังเป็นที่ตั้งของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Sierra อันดับหนึ่งและหมายเลข 10 อันดับอนุญาติ
กระทรวงพลังงานของสหรัฐฯ ได้จัดตั้งสำนักงานปัญญาประดิษฐ์และเทคโนโลยีขึ้นเมื่อต้นเดือนนี้ เพื่อใช้ประโยชน์จาก AIในการแก้ปัญหาประเภทต่างๆ ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติของสหรัฐฯ จัดการ
US $ 145,000: นั่นเป็นตัวเลขที่สำคัญที่มีการรายงานในเพียงแค่เปิดตัวIEEE-USA เงินเดือนและประโยชน์ที่ได้รับการสำรวจ โดยคิดเป็นรายได้เฉลี่ยของวิศวกรในสหรัฐอเมริกาในปี 2018 เพิ่มขึ้น $6,200 จากปี 2017 และ $15,000 จากปี 2014 ตัวเลขดังกล่าวรวมเงินเดือน ค่าคอมมิชชั่น และโบนัส (เมื่อมีการเพิ่มรายได้จากทุกแหล่ง รวมทั้งค่าล่วงเวลาและความเร่งรีบด้านข้าง ตัวเลขปี 2018 จะเพิ่มขึ้นเป็น 150,000 ดอลลาร์) ในสกุลเงินดอลลาร์ที่คงที่ กำไรในปีที่ผ่านมายังคงมีนัยสำคัญ
อย่างไรก็ตาม รายได้ที่เพิ่มขึ้นเหล่านี้ไม่ได้กระจายอย่างเท่าเทียมกันในหมู่วิศวกรของความเชี่ยวชาญพิเศษ ภูมิภาค เชื้อชาติ เพศ หรืออายุทั้งหมด รายงาน 63 หน้าเต็มไปด้วยข้อมูลที่น่าสนใจ นี่คือสิ่งที่โดดเด่นสำหรับฉัน
นักพัฒนาสมาร์ทโฟนและวิศวกรแมชชีนเลิร์นนิงชนะรางวัลใหญ่
เมื่อให้ความสนใจกับปัญญาประดิษฐ์และแมชชีนเลิร์นนิงทั้งหมด ฉันไม่แปลกใจเลยที่พบว่าวิศวกรแมชชีนเลิร์นนิงรวบรวมหนึ่งในเงินเดือนค่ามัธยฐานสูงสุดตามความเชี่ยวชาญพิเศษ – 185,000 ดอลลาร์ในปี 2561 แต่ผู้ชนะที่แท้จริงคือวิศวกรที่ทำงานด้วย สมาร์ทโฟนและนาฬิกา—เงินเดือนเฉลี่ยอยู่ที่ 215,771 ดอลลาร์ในปีที่แล้ว วิศวกรด้านการสื่อสารก็ทำได้ดีเช่นกัน โดยมีรายได้ $161,500 ในปี 2018
อีกด้านหนึ่งของมาตราส่วนคือวิศวกรที่ทำงานด้านวิศวกรรมพลังงานและพลังงาน ซึ่งมีรายได้ 130,000 ดอลลาร์; ผู้ที่อยู่ในหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติเช่นกันที่ 130,000 ดอลลาร์; และวิศวกรด้านเครื่องมือวัดและการวัด ที่ $125,000
แบบสำรวจได้พิจารณาเงินเดือนทางวิศวกรรมตามประเภทของธุรกิจที่นายจ้างทำอยู่ โดยไม่คำนึงถึงหน้าที่การงานโดยเฉพาะ ด้วยมาตรการนี้ ผู้ชนะคือเทคโนโลยีมือถืออีกครั้ง ตามด้วยซอฟต์แวร์ คอมพิวเตอร์ และเครื่องใช้ไฟฟ้า (ฉันคิดว่านักพัฒนาสมาร์ทโฟนโผล่ขึ้นมาในหมวดหมู่เหล่านั้นทั้งหมด)