คอมพิวเตอร์ควอนตัมดักไอออนของ Honeywell ทำให้ก้าวกระโดดครั้งใหญ่

คอมพิวเตอร์ควอนตัมดักไอออนของ Honeywell ทำให้ก้าวกระโดดครั้งใหญ่

jumbo jili

Honeywell อาจเป็นบริษัทเทคโนโลยีอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ แต่ก็ไม่มีความหมายเหมือนกันกับการประมวลผลขั้นสูง อย่างไรก็ตาม บริษัทได้ให้คำมั่นสัญญาเป็นเวลาสิบปีในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมภายใน และกำลังจะเริ่มจ่ายคืน

สล็อต

“เราคาดว่าภายในสามเดือนข้างหน้า เราจะเปิดตัวคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทรงพลังที่สุดในโลก” Tony Uttley ประธานของHoneywell Quantum Solutionsกล่าว เป็นการอ้างสิทธิ์ของคู่แข่งอย่าง IBM และ Google เป็นระยะๆ แต่สำหรับ Honeywell มีความแตกต่าง คนอื่น ๆ เหล่านั้นโดยใช้ส่วนประกอบที่ยิ่งยวดแช่เย็นสัมบูรณ์ที่อยู่ใกล้ได้รับการแข่งที่จะอัดมากขึ้นและมากขึ้น qubits บนชิป, Google มาถึงของ“ควอนตัมอำนาจสูงสุด” ก้าวที่ 53 qubits Uttley กล่าวว่า Honeywell สามารถเอาชนะมันได้ด้วยไอออน qubits จำนวนหนึ่ง
Uttley กำลังวัดความสำเร็จโดยใช้ตัวชี้วัดที่ค่อนข้างใหม่ซึ่งขับเคลื่อนโดย IBM และเรียกว่าปริมาณควอนตัม โดยพื้นฐานแล้วจะเป็นการวัดจำนวน qubit ทางกายภาพ การเชื่อมต่อกันอย่างไร และแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดได้ง่ายเพียงใด IBM อ้างว่ามีปริมาณควอนตัมชั้นนำที่ 32 โดยใช้ระบบ 28-qubitในต้นเดือนมกราคม ระบบสี่ควิบิตของ Honeywell ถึง 16 และจะถึง 64 ในอีกไม่กี่เดือนข้างหน้า Uttley . กล่าว
บริษัทมีเส้นทางที่ทะเยอทะยานสู่การขยายตัวอย่างรวดเร็วหลังจากนั้น “เราคาดว่าจะอยู่ในวิถีเพื่อเพิ่มปริมาณควอนตัม 10 เท่าทุกปีในอีกห้าปีข้างหน้า” เขากล่าว IBM กำลังวางแผนที่จะเพิ่มตัวเลขเป็นสองเท่าทุกปี
คอมพิวเตอร์ของ Honeywell ใช้อิตเทอร์เบียมไอออนที่ติดอยู่ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในร่องแคบที่สร้างขึ้นในชิป คิวบิตอาศัยสถานะการหมุนของอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดของไอออนและของนิวเคลียส สิ่งนี้สามารถจัดการได้ด้วยเลเซอร์และสามารถคงสถานะของมันไว้ได้ – ยังคงเชื่อมโยงกัน – เป็นเวลานานพอสมควรเมื่อเทียบกับ qubits ประเภทอื่น ที่สำคัญ คิวบิตสามารถเคลื่อนย้ายไปมาบนชิปกับดักได้ ทำให้พวกมันโต้ตอบกันในรูปแบบที่สร้างอัลกอริธึมควอนตัม
“เราเลือกไอออนที่ดักจับเพราะเราเชื่อว่าในยุคแรกๆ ของการคำนวณควอนตัม คุณภาพของคิวบิตจะมีความสำคัญมากที่สุด” Uttley กล่าว
Honeywell กำลังอ้างสิทธิ์ qubits ที่ปราศจากการคอร์รัปชั่นที่พวกเขาได้ทำการวัด “กลางวงจร” เป็นครั้งแรก กล่าวคือ ระบบสามารถสอบสวนสถานะของ qubit ระหว่างการคำนวณโดยไม่ทำลายสถานะของอื่นๆ และจาก qubit ที่สังเกตได้นั้น มันสามารถเปลี่ยนแปลงสิ่งที่ส่วนที่เหลือของการคำนวณทำ “มันเทียบเท่ากับคำสั่ง ‘if’” Uttley อธิบาย ปัจจุบันยังไม่สามารถวัดค่ากลางวงจรในเทคโนโลยีอื่นได้ “มันเป็นไปได้ในทางทฤษฎี” เขากล่าว “แต่ในทางปฏิบัติ มันจะเป็นจุดสร้างความแตกต่าง [สำหรับฮันนี่เวลล์] ชั่วขณะหนึ่ง”
ระบบควอนตัมกับดักไอออนได้รับการพัฒนาขึ้นครั้งแรกที่สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติของสหรัฐอเมริกาในทศวรรษ 1990 ในปี 2015 มีประสบการณ์ของกลุ่มที่คริสมอนโร cofounded ไอออนกับดัก บริษัท คอมพิวเตอร์ควอนตัมIonQ IonQ ได้พอดีกับ 160 qubits ที่ใช้ ytterbium ในระบบและดำเนินการกับ 79 รายการ บริษัทสตาร์ทอัพได้เผยแพร่การทดสอบระบบหลายครั้งแต่ไม่ใช่การวัดปริมาณควอนตัม
ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่กว่านั้นสามารถพิสูจน์ได้ว่าเป็นด้านการวัดของสิ่งต่าง ๆ: การวัดหลายพันครั้งต่อวินาทีจะต้องดำเนินการบนชิป การวัดเหล่านี้จะได้รับการออกแบบเพื่อไม่ให้รบกวนข้อมูลควอนตัม (ซึ่งยังไม่ทราบจนกว่าจะสิ้นสุดการคำนวณ) ในขณะเดียวกันก็เปิดเผยและแก้ไขข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นระหว่างทาง การวัดค่า qubits นับล้านที่ความถี่นี้จะต้องมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในปรัชญาการวัด
วิธีการวัด qubits ในปัจจุบันจำเป็นต้องมีการถอดรหัสและการแปลงสัญญาณแอนะล็อกให้เป็นดิจิทัล ที่อัตราการวัดของหลายกิโลเฮิรตซ์ และด้วย qubits นับล้านในเครื่องหนึ่ง ปริมาณงานดิจิตอลทั้งหมดจะเป็นเพตาไบต์ต่อวินาที นั่นเป็นข้อมูลที่มากเกินไปที่จะจัดการโดยใช้เทคนิคของวันนี้ ซึ่งเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่อุณหภูมิห้องที่เชื่อมต่อกับชิปที่ถือ qubits ที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์สัมบูรณ์
เห็นได้ชัดว่า เลเยอร์แอนะล็อกและดิจิทัลของ QPU จะต้องถูกรวมเข้ากับเลเยอร์การประมวลผลควอนตัมบนชิปตัวเดียวกัน ด้วยรูปแบบที่ชาญฉลาดบางอย่างที่นำมาใช้ที่นั่นสำหรับการประมวลผลล่วงหน้าและมัลติเพล็กซ์การวัด โชคดีสำหรับการประมวลผลที่ทำเพื่อแก้ไขข้อผิดพลาด ไม่ต้องส่งการวัด qubit ทั้งหมดไปยังเลเยอร์ดิจิทัล ต้องทำเมื่อวงจรภายในตรวจพบข้อผิดพลาดเท่านั้น ซึ่งจะช่วยลดแบนด์วิดท์ดิจิทัลที่ต้องการได้อย่างมาก
สิ่งที่เกิดขึ้นในชั้นควอนตัมจะเป็นตัวกำหนดว่าคอมพิวเตอร์จะทำงานได้ดีเพียงใด ความไม่สมบูรณ์ใน qubits หมายความว่าคุณจะต้องใช้ข้อบกพร่องเหล่านี้มากขึ้นสำหรับการแก้ไขข้อผิดพลาด และเมื่อความไม่สมบูรณ์เหล่านั้นแย่ลง ข้อกำหนดสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมของคุณจะระเบิดเกินกว่าจะเป็นไปได้ แต่การสนทนาก็เป็นความจริงเช่นกัน: การปรับปรุงคุณภาพของ qubits อาจมีค่าใช้จ่ายสูงสำหรับวิศวกร แต่พวกเขาจะจ่ายเงินให้ตัวเองอย่างรวดเร็ว
ในขั้นตอนก่อนการสร้างต้นแบบของการคำนวณควอนตัม การควบคุม qubit แต่ละรายการยังคงหลีกเลี่ยงไม่ได้: จำเป็นต้องใช้ประโยชน์จาก qubits สองสามตัวที่เรามีอยู่ให้ได้มากที่สุด ในไม่ช้า แม้ว่าจำนวน qubits ที่มีอยู่จะเพิ่มขึ้น นักวิจัยจะต้องสร้างระบบสำหรับสัญญาณควบคุมมัลติเพล็กซ์และการวัด qubits

สล็อตออนไลน์

ขั้นตอนต่อไปที่สำคัญคือการแนะนำรูปแบบพื้นฐานของการแก้ไขข้อผิดพลาด ในขั้นต้น จะมีสองเส้นทางการพัฒนาคู่ขนาน เส้นทางแรกที่มีการแก้ไขข้อผิดพลาด และอีกเส้นทางที่ไม่มี แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่แก้ไขข้อผิดพลาดจะครอบงำในที่สุด ไม่มีเส้นทางอื่นไปยังเครื่องที่สามารถทำงานที่เป็นประโยชน์ในโลกแห่งความเป็นจริงได้
เพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการพัฒนาเหล่านี้ นักออกแบบชิป วิศวกรกระบวนการสร้างชิป ผู้เชี่ยวชาญด้านการควบคุมความเย็น ผู้เชี่ยวชาญในการจัดการข้อมูลจำนวนมาก นักพัฒนาอัลกอริทึมควอนตัม และอื่นๆ จะต้องทำงานร่วมกันอย่างใกล้ชิด
ความร่วมมือที่ซับซ้อนดังกล่าวจะได้รับประโยชน์จากแผนงานวิศวกรรมควอนตัมระดับนานาชาติ จากนั้นสามารถมอบหมายงานต่างๆ ที่จำเป็นให้กับกลุ่มผู้เชี่ยวชาญที่เกี่ยวข้อง โดยให้ผู้จัดพิมพ์แผนงานจัดการการสื่อสารระหว่างกลุ่มต่างๆ ด้วยการผสมผสานความพยายามของสถาบันการศึกษา สถาบันวิจัย และบริษัทการค้า เราสามารถและจะประสบความสำเร็จในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้จริง ซึ่งจะปลดปล่อยพลังการประมวลผลมหาศาลสำหรับอนาคต
ข้อดีของการออกแบบโซลิดสเตตเหนือแนวทาง NMR คือความสามารถในการสร้างอาร์เรย์ขนาดใหญ่ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่สามารถระบุและเชื่อมต่อเป็นรายบุคคลได้ เช่นเดียวกับที่เราทำกับทรานซิสเตอร์ในวงจรรวม แนวทางที่มีแนวโน้มดีวิธีหนึ่งสำหรับระบบโซลิดสเตตดังกล่าวถูกนำเสนอโดย Daniel Loss จากมหาวิทยาลัย Basel ในสวิตเซอร์แลนด์ และ David DiVincenzo จาก IBM TJ Watson Research Center ในยอร์กทาวน์ไฮทส์ รัฐนิวยอร์ก ในเอกสารฉบับมกราคม 2541 ”Quantum Computation ด้วยจุดควอนตัม” ในPhysical Review Aพวกเขาเสนอให้ดักอิเล็กตรอนแต่ละตัวในโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ที่เรียกว่าจุดควอนตัมแล้วใช้การหมุนของอิเล็กตรอนเป็นคิวบิต
ด้วยขนาดทั่วไปตั้งแต่ไม่กี่นาโนเมตรถึงสองสามไมโครเมตร – ประมาณขนาดของไวรัส – จุดควอนตัมเป็นพื้นที่เล็ก ๆ ในเซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถเก็บอะไรก็ได้ตั้งแต่อิเล็กตรอนตัวเดียวไปจนถึงหลายพัน ในการสร้างจุดควอนตัมที่เหมาะสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม คุณเริ่มต้นด้วยแกลเลียม อาร์เซไนด์เวเฟอร์หนาครึ่งมิลลิเมตรแล้วปิดด้วยชั้นอะลูมิเนียม-แกลเลียม-อาร์เซไนด์ที่เจือซิลิกอนหนา 100 นาโนเมตรที่บางกว่า อิเล็กตรอนอิสระจะจดจ่อที่ส่วนต่อประสานระหว่างวัสดุทั้งสองทำให้เกิดแผ่นอิเล็กตรอนบาง ๆ ถัดไป คุณแนบชุดอิเล็กโทรดสีทองกับชั้นบนสุด และใช้แรงดันลบกับอิเล็กโทรด อิเล็กโทรดจะขับไล่อิเล็กตรอนในแผ่นด้านล่างและสร้างเกาะเล็กๆ ของอิเล็กตรอนที่แยกออกจากส่วนที่เหลือ
การสร้างแอ่งอิเล็กตรอนนั้นค่อนข้างตรงไปตรงมา แต่การจัดการการหมุนของอิเล็กตรอนนั้นแตกต่างกัน เช่นเดียวกับประจุและมวล สปินถือเป็นคุณสมบัติที่แท้จริงของอิเล็กตรอน แต่ก็ยังค่อนข้างลึกลับอยู่บ้าง เราสามารถวัดการหมุนได้เพราะมันมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กภายนอก มากเท่ากับแม่เหล็กขนาดเล็กพิเศษที่หมุนรอบแกนของมันเอง แต่ต่างจากแม่เหล็กจริง ๆ เมื่อเราวัดทิศทางการหมุนของอิเล็กตรอน จะมีผลลัพธ์ที่เป็นไปได้เพียงสองอย่างเท่านั้น: การหมุนและสนามภายนอกกำลังชี้ไปในทิศทางเดียวกัน หรือพวกมันชี้ไปในทิศทางตรงกันข้าม ความเป็นไปได้ทั้งสองนี้เรียกอีกอย่างว่าหมุนขึ้นและหมุนลงตามลำดับ
สิ่งที่น่าสนใจและแปลกประหลาดกว่านั้นก็คือ สปินยังสามารถอยู่ในสถานะขึ้นและลงรวมกันได้ สถานะการทับซ้อนนี้เป็นหนึ่งในสิ่งที่ทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมแตกต่างจากคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก ตัวอย่างเช่น หน่วยความจำทั่วไปแบบสามบิตสามารถเก็บการรวมกันของสามบิตในแต่ละครั้ง: 000, 001, 010, 011, 100, 110, 101 หรือ 111 แต่ใช้ qubits และแสดงการหมุนเป็น 0 และการหมุน ลดลงเป็น 1 คุณสามารถทำได้ดีกว่ามาก: หน่วยความจำสามควิบิตสามารถเก็บสถานะทั้งแปดได้พร้อมกัน ดังนั้น หากคุณทำการคำนวณโดยใช้สาม qubits คุณจะทำการคำนวณทั้งแปดสถานะพร้อมกัน เมื่อคุณเพิ่ม qubits มากขึ้น การประมวลผลควอนตัมคู่ขนานนี้จะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ

jumboslot

อย่างไรก็ตาม ในการคำนวณควอนตัม คุณต้องเชื่อมโยง qubits ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง วิธีที่นักวิจัยทำคือการใช้ปรากฏการณ์ควอนตัมของการพัวพัน การหมุนที่พันกันสองครั้งสามารถอยู่ในการซ้อนทับของพูดขึ้นและลง คุณไม่รู้ว่าอิเล็กตรอนตัวไหนมีการหมุนจนกว่าคุณจะวัด แต่ทันทีที่คุณวัดการหมุนหนึ่งครั้ง นั่นหมายความว่าการหมุนอีกอันหนึ่งจะต้องมีค่าตรงกันข้าม พวกเขา “รู้” ว่าจะชี้ไปทางไหน? นักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้นการทดลองอันชาญฉลาดเพื่อทดสอบสิ่งกีดขวาง และสรุปว่าอนุภาคที่พัวพันไม่มีพฤติกรรม ตามกลศาสตร์ควอนตัม อิเล็กตรอนคู่จะสร้างเอนทิตีเดี่ยวแทน การหมุนของอิเล็กตรอนแต่ละตัวไม่มีทิศทางที่แน่นอน จนกว่าจะวัดหนึ่งในอิเล็กตรอนนั้น ไม่ว่าจะห่างกันแค่ไหนก็ตาม
น่ากลัวจริงๆ แต่นั่นเป็นกฎของกลศาสตร์ควอนตัม และเราอาจใช้มันเพื่อประโยชน์ของเราด้วย นักวิจัยควอนตัมไม่เพียงแต่ยอมรับความแปลกประหลาดของสปินเท่านั้น แต่พวกเขายังยอมรับด้วย พวกเขาคิดว่าสปินเป็นเวกเตอร์ในโดเมนทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่าสเปซฮิลเบิร์ต โดยทั่วไป เวกเตอร์นี้อธิบายความน่าจะเป็นของการหมุนขึ้นหรือลงเมื่อวัดการหมุนของอนุภาค นักวิจัยได้ดำเนินการแปลงทางคณิตศาสตร์จำนวนมากให้กับเวกเตอร์เหล่านั้นเพื่อสร้างอัลกอริธึมการคำนวณควอนตัม แต่ตามที่นักฟิสิกส์ Asher Peres ได้กล่าวไว้ “ปรากฏการณ์ควอนตัมไม่ได้เกิดขึ้นในพื้นที่ของฮิลเบิร์ต แต่เกิดขึ้นในห้องปฏิบัติการ” และอยู่ในห้องแล็บที่กลุ่มของเราและคนอื่นๆ อีกหลายคนเริ่มสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้จริง
จุดเริ่มต้นของเราคือข้อเสนอของ Loss และ DiVincenzo และแนวคิดที่เกี่ยวข้อง เห็นได้ชัดว่ามันยากเกินไปที่จะสร้างคอมพิวเตอร์ทั้งเครื่องในคราวเดียว แนวคิดคือการพัฒนาชุดฟังก์ชันพื้นฐานที่ระบบการทำงานใดๆ ก็ตามต้องการ เหล่านี้เป็นกลไกการเริ่มต้นเพื่อตั้งค่า qubits ทั้งหมดให้อยู่ในสถานะที่ทราบก่อนเริ่มการคำนวณ รูปแบบการอ่านเพื่อวัดการหมุนแต่ละครั้ง และชุดของเทคนิคการจัดการสปินที่สามารถดำเนินการคำนวณควอนตัมที่เป็นไปได้
นี่คือการออกแบบพื้นฐาน: แกนกลางของตัวเครื่องจะประกอบด้วยชิปตัวเดียว ซึ่งจะอยู่ภายในเต้ารับที่มีความเย็นสูงที่เรียกว่าตู้เย็นแบบเจือจาง ซึ่งจะถูกล้อมรอบด้วยแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดอันทรงพลัง (ดังที่ DiVincenzo เคยกล่าวไว้ว่า “นี่ไม่ใช่คอมพิวเตอร์แล็ปท็อป!”)
ในขณะที่ไมโครชิปทั่วไปบรรจุด้วยทรานซิสเตอร์ ชิปคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะเต็มไปด้วยจุดควอนตัม จุด – หลายสิบ, ร้อยหรือพัน – แต่ละจุดจะมีอิเล็กตรอนหนึ่งตัว อิเล็กโทรดใกล้แต่ละจุดจะควบคุมว่าอิเล็กตรอนมีปฏิสัมพันธ์กับเพื่อนบ้านอย่างไร
ขั้นตอนแรกประกอบด้วยการเริ่มต้นอิเล็กตรอนหมุนทั้งหมดไปยังสถานะที่รู้จักพูดขึ้น จากนั้นคอมพิวเตอร์จะ “โหลด” ข้อมูลเริ่มต้น: จะปล่อยให้การหมุนบางส่วนชี้ขึ้น ทำให้บางจุดลง และทำให้ข้อมูลอื่นๆ อยู่ในสถานะการซ้อนขึ้นลง การคำนวณมาต่อไป โดยการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าของอิเล็กโทรดและการใช้สนามแม่เหล็ก มันจะจัดการสปินเดี่ยวหรือคู่ของสปิน การปรับเปลี่ยนเหล่านี้สอดคล้องกับผลรวม การคูณ และการดำเนินการอื่นๆ ที่ระบุโดยอัลกอริทึมควอนตัม ขั้นตอนสุดท้ายคือการอ่านเอาต์พุต qubits
เรายังห่างไกลจากความสามารถในการสร้างระบบดังกล่าว ชิปที่พัฒนาจนถึงปัจจุบันยังคงเป็นพื้นฐานเกินไป โดยมีจุดควอนตัมน้อยมาก นอกจากนี้ ถึงแม้ว่าฟังก์ชันพื้นฐานจะได้รับการสาธิตเรียบร้อยแล้ว แต่การผสานรวมเข้ากับระบบเดียวจะใช้เวลามากในห้องปฏิบัติการ เพื่อทำความเข้าใจว่าทำไม คุณควรดูรายละเอียดเพิ่มเติมในแต่ละรายการ

slot

พิจารณางานการวางอิเล็กตรอนตัวเดียวในแต่ละจุด วันนี้เป็นการผ่าตัดตามปกติ แต่ Leo Kouwenhoven ที่ Delft และ Seigo Tarucha จากมหาวิทยาลัยโตเกียวต้องใช้ความพยายามอย่างมากในการทำให้สำเร็จ ในปี พ.ศ. 2539 นักวิจัยสองคนนี้ได้สาธิตวิธีการใช้แรงดันลบกับขั้วไฟฟ้าโลหะใกล้กับจุดควอนตัมเพื่อขับอิเล็กตรอนออกจากจุดทีละจุดจนเหลืออิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว โดยการเปรียบเทียบ ชิปหน่วยความจำทั่วไปใช้ 10 000 ถึง 100 000 อิเล็กตรอนเพื่อเก็บข้อมูลหนึ่งบิต ดังนั้นการจัดการอิเล็กตรอนตัวเดียวจึงไม่ใช่เรื่องเล็ก

This entry was posted in Slot and tagged , , , , , , , , , , . Bookmark the permalink.