ตัวเร่งความเร็วควอนตัมที่ใช้เพชรทำให้ Qubits ในแร็คเซิร์ฟเวอร์
คอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดเท่าการ์ดกราฟิกพีซี? บริษัทสตาร์ทอัพสัญชาติออสเตรเลีย-เยอรมันรายหนึ่งกล่าวว่าพวกเขากำลังใช้เทคโนโลยีที่อาจทำได้ภายในห้าปี
ทุกวันนี้ คอมพิวเตอร์ควอนตัมมักจะมีขนาดใหญ่เท่ากับเมนเฟรม ทว่าการเริ่มต้นของQuantum Brillianceได้เปิดตัวคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้เพชรซึ่งพร้อมสำหรับตลาดซึ่งมีขนาดเท่ากับโมดูลแร็คเซิร์ฟเวอร์เท่านั้น พวกเขากล่าวว่าอุปกรณ์ขนาดการ์ดกราฟิกที่จินตนาการไว้ภายในปี 2569 สามารถหาบ้านบนดาวเทียมและยานพาหนะที่เป็นอิสระได้
ในขณะที่คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกเปิดหรือปิดทรานซิสเตอร์เพื่อเป็นสัญลักษณ์ของข้อมูลเป็นหนึ่งหรือศูนย์คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้บิตควอนตัม—qubits—ซึ่งเนื่องจากธรรมชาติเหนือจริงของฟิสิกส์ควอนตัม สามารถอยู่ในสถานะของการซ้อนทับที่มีทั้ง 1 และ 0 ในเวลาเดียวกัน. โดยพื้นฐานแล้วจะช่วยให้แต่ละ qubit ทำการคำนวณสองครั้งพร้อมกัน
ถ้าสอง qubits มีการเชื่อมโยงทางกลควอนตัมหรือพันกัน พวกเขาสามารถช่วยในการคำนวณ 2 ^ 2 หรือสี่ครั้งพร้อมกัน สาม qubits, 2^3 หรือแปดการคำนวณ; และอื่นๆ ตามทฤษฎีแล้ว คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มี 300 qubits สามารถคำนวณได้ในทันทีมากกว่าอะตอมในจักรวาลที่มองเห็นได้
ข้อเสียเปรียบของคอมพิวเตอร์ควอนตัมจำนวนมากคือพวกเขาต้องการอุณหภูมิที่เย็นกว่าที่พบในห้วงอวกาศรวมถึงระบบที่ซับซ้อนในการควบคุม เช่นนี้พวกเขาในวันนี้มักจะมาในรูปแบบของตู้ขนาดใหญ่, ขนาดใหญ่เมนเฟรมและทุ่มเทให้กับการแก้เฉพาะปัญหาที่ยากที่สุดและยากฉะนั้นเข้าถึงอาจจะออนไลน์ผ่านระบบคลาวด์
ตอนนี้ Quantum Brilliance กล่าวว่าพวกเขาได้พัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีจำหน่ายในท้องตลาดโดยใช้เพชรสังเคราะห์ที่สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิห้อง Marcus Doherty นักฟิสิกส์ควอนตัมและหัวหน้าเจ้าหน้าที่วิทยาศาสตร์ของ Quantum Brilliance กล่าวว่า ” ขนาดเท่ากับคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปหรือชั้นวาง 19 นิ้ว
เทคโนโลยีของ Quantum Brilliance ขึ้นอยู่กับข้อบกพร่องของเพชรซึ่งแต่ละอันส่งผลให้อะตอมของคาร์บอนหายไปในผลึก โดยมีอะตอมไนโตรเจนปลอมอยู่ใกล้เคียง สิ่งเหล่านี้เรียกว่า ” ศูนย์ว่างไนโตรเจน ” ทำหน้าที่เป็นคิวบิต และเพชรจะช่วยปกป้องพวกมันจากการหยุดชะงักของความร้อนและสิ่งสกปรกจากแม่เหล็ก ทำให้สามารถทำงานที่อุณหภูมิห้องได้
“คอมพิวเตอร์ควอนตัมของไดมอนด์มีมาตั้งแต่ปี 2544” โดเฮอร์ตี้กล่าว “แต่ในปี 2558 มันถูกกีดขวางในการขยายขนาดเกิน qubits จำนวนหนึ่ง ตอนนี้ Quantum Brilliance กำลังเอาชนะอุปสรรคนี้”
แทนที่จะเป็นเมนเฟรมควอนตัม Quantum Brilliance ตั้งเป้าหมายที่จะสร้างสิ่งที่เรียกว่า “ตัวเร่งควอนตัม” คอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดกะทัดรัดและแข็งแกร่งคล้ายกับตัวเร่งกราฟิกบนคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล ในเดือนมีนาคม Quantum Brilliance ประกาศว่าจะทำการติดตั้งเครื่องเร่งความเร็วควอนตัมเครื่องแรกที่Pawsey Supercomputing Centerในเมืองเพิร์ท ประเทศออสเตรเลียในเดือนมิถุนายน
Doherty กล่าวว่า “แทนที่จะเป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่เครื่องเดียวที่มี qubits จำนวนมาก เราสามารถคิดถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดเล็กแต่จำนวนมากที่อาจไม่มี qubits มากพอๆ กับควอนตัมเมนเฟรมขนาดใหญ่ แต่ก็ยังสามารถให้ข้อได้เปรียบด้านควอนตัมสำหรับงานที่เลือกได้ โครงการQuantum Pioneerของ Pawsey Supercomputing Center กำลังพัฒนาซอฟต์แวร์สำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมเหล่านี้
เครื่องเร่งความเร็วควอนตัมรุ่นแรกของ Quantum Brilliance มีเพียง 5 คิวบิตเท่านั้น อย่างไรก็ตาม “ในอีก 5 ปีข้างหน้า มันจะมีขนาดเท่ากับการ์ดกราฟิกที่มีคิวบิตมากกว่า 50 บิต” โดเฮอร์ตี้กล่าว
ด้วย53 qubits Google อ้างว่าได้เปรียบทางควอนตัมเหนือคอมพิวเตอร์คลาสสิกด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัม Sycamore ที่ทำการคำนวณในเวลาเพียง 200 วินาทีที่บริษัทคาดว่าจะใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Summit 10,000 ปี “เราคาดการณ์ว่าด้วย 14 qubits เราจะสามารถทำงานได้ดีกว่าโปรเซสเซอร์ CPU สมัยใหม่ในคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปในงานเดียวกัน” Doherty กล่าว
แอปพลิเคชั่นชุดหนึ่งที่ Quantum Brilliance จินตนาการถึงอุปกรณ์ของมันเกี่ยวข้องกับสิ่งที่เรียกว่าการคำนวณควอนตัมคู่ขนานอย่างหนาแน่น โดยมีตัวเร่งควอนตัมจำนวนมากทำงานร่วมกันในปัญหา
ตัวอย่างเช่น ด้วยการจำลองไดนามิกระดับโมเลกุลที่มักใช้ในการค้นพบยาตัวใหม่ “คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มี qubits จำนวนค่อนข้างน้อยสามารถทำงานได้ดีกว่าเซิร์ฟเวอร์แต่ละเครื่องในแร็คของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ซึ่งเป็นการเร่งความเร็วอย่างมาก” Doherty กล่าว “โดยการเพิ่มคอมพิวเตอร์ควอนตัมเหล่านี้เข้าด้วยกัน คุณสามารถจำลองระบบเคมีที่ซับซ้อน โดยคอมพิวเตอร์ควอนตัมแต่ละเครื่องจำลองหนึ่งโมเลกุลภายในระบบเคมีที่ซับซ้อนซึ่งมีโมเลกุลจำนวนมาก”
แอปพลิเคชั่นอีกชุดหนึ่งสำหรับเทคโนโลยีของ Quantum Brilliance เกี่ยวข้องกับตัวเร่งความเร็วควอนตัมแบบเคลื่อนที่ในสิ่งที่บริษัทขนานนามว่า edge quantum computing
“ลองนึกภาพว่าคุณมีดาวเทียมที่คุณต้องการใช้ประมวลผลภาพหรือสัญญาณ” โดเฮอร์ตี้กล่าว “ดาวเทียมรวบรวมสัญญาณหรือภาพจำนวนมาก และมักมีกำลังในการคำนวณไม่เพียงพอสำหรับการกรองล่วงหน้าหรือการประมวลผลข้อมูลนั้น การสตรีมข้อมูลจำนวนมากก็เป็นปัญหาเช่นกัน เนื่องจากมีการเชื่อมโยงการสื่อสารที่จำกัด ดังนั้น สิ่งหนึ่งที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำได้ดีคือจัดเรียงตามความเป็นไปได้แบบผสมผสาน ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำในการระบุคุณลักษณะและการติดตามคุณลักษณะในการประมวลผลภาพและสัญญาณ การประมวลผลควอนตัมสามารถกรองเวิร์กโฟลว์บนดาวเทียมหรือสภาพแวดล้อมที่มีข้อจำกัดอื่นๆ เช่น ยานยนต์อัตโนมัติ”
เมื่อพูดถึงรถยนต์ขับเคลื่อนอัตโนมัติและระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติอื่นๆ เครื่องเร่งความเร็วควอนตัม “สามารถสนับสนุนการตัดสินใจได้เช่นกัน” Doherty กล่าว “คอมพิวเตอร์ควอนตัมเก่งมากในการสำรวจลำดับเหตุการณ์ที่เป็นไปได้และระบุสิ่งที่มีโอกาสเป็นไปได้มากที่สุดและอะไรคือลำดับเหตุการณ์ที่อันตรายที่สุด ดังนั้นหากคุณมีโครงข่ายประสาทเทียมหรือเครื่องจำลองอื่นๆ ที่สามารถวิเคราะห์สถานการณ์ปัจจุบันและจำลองอนาคตที่เป็นไปได้ เครื่องเร่งควอนตัมสามารถค้นหาผ่านสิ่งนั้นและค้นหาอนาคตที่มีแนวโน้มและอันตรายที่สุดได้”
แอปพลิเคชั่นอื่นสำหรับ edge quantum computing จะเกี่ยวข้องกับการประมวลผลภาษาธรรมชาติ “เช่น speech-to-text” Doherty กล่าว “ปัจจุบันอุปกรณ์ Edge ที่ใช้คำพูดเป็นข้อความมีข้อผิดพลาดมากมาย เนื่องจากชิปขาดความสัมพันธ์ระหว่างคำพูดสองบิต สองบิตของคำ เครื่องเร่งความเร็วควอนตัมสามารถช่วยลดข้อผิดพลาดเหล่านั้นได้ ดังนั้นภายในกรอบเวลาเดียวกัน คุณจะได้รับการเปลี่ยนแปลงขั้นตอนในความแม่นยำ”
Doherty กล่าวว่า “แอปพลิเคชั่น Edge อีกอย่างหนึ่งคือการถ่ายภาพทางการแพทย์ ซึ่งมีข้อจำกัดอื่นนอกเหนือจากข้อจำกัดด้านกำลังในการคำนวณ เช่น มีข้อ จำกัด เกี่ยวกับความเป็นส่วนตัวเมื่อต้องส่งข้อมูลทางการแพทย์ผ่านระบบคลาวด์ “คุณสามารถติดตั้งคอมพิวเตอร์ควอนตัมบนไซต์สำหรับการประมวลผลภาพด้วยการสแกน MRI และ CT”
เมนเฟรมควอนตัมอาจมีประสิทธิภาพดีกว่าตัวเร่งความเร็วควอนตัมเมื่อพูดถึงการรันอัลกอริธึมควอนตัมที่ออกแบบมาเพื่อทำงานบนคอมพิวเตอร์ควอนตัมเท่านั้น เมื่อคุณมีคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดเล็กจำนวนมากที่ทำงานบนอัลกอริธึมควอนตัมบริสุทธิ์ พลังการคำนวณของพวกมันจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรง แต่เมื่อคุณมีคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่หนึ่งเครื่องที่มีจำนวน qubits เท่ากันทั้งหมดพันกัน “คุณจะเห็นว่ากำลังการคำนวณเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ” โดเฮอร์ตี้กล่าว
อย่างไรก็ตาม แอปพลิเคชั่นจำนวนมากสำหรับการคำนวณควอนตัมนั้นเกี่ยวข้องกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทำงานร่วมกับคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกบนอัลกอริธึมควอนตัมไฮบริดที่เรียกว่า ในกรณีเหล่านี้ ข้อเท็จจริงที่ว่าเครื่องเร่งความเร็วควอนตัมของ Quantum Brilliance อาจรวมเข้ากับคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น สามารถลดระยะเวลาในการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างคอมพิวเตอร์ทั้งสองประเภท “เพื่อให้มีประสิทธิภาพเหนือกว่าเมนเฟรมควอนตัมขนาดใหญ่เพียงเครื่องเดียว” Doherty กล่าว
ในขั้นต้น นักฟิสิกส์เชื่อว่าเทคนิคดังกล่าวเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากการตรวจจับและแก้ไขข้อผิดพลาดจะหมายถึงการวัดสถานะของระบบควอนตัมและทำลายข้อมูลที่มีอยู่ ถึงกระนั้นในช่วงต้นทศวรรษ 90 Deutsch ได้แสดงให้เห็นว่าไม่จำเป็นต้องเป็นอย่างนั้น และในปี 1994 Andrew Steane จาก University of Oxford และ Peter Shor ที่ Bell Laboratories ของ AT&T ในรัฐนิวเจอร์ซีย์ได้ค้นพบอัลกอริธึมการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมที่ใช้งานได้จริง
ปัญหาคล้ายกับการทำซ้ำข้อความที่สร้างขึ้นในอีกที่หนึ่ง หากข้อความถูกส่งผ่านแชนเนลหรือเก็บไว้ในที่ที่มีเสียงดังพอที่จะบิดเบือนบิตในลำดับ ผู้รับจะจดจำข้อความได้อย่างไร โดยเพิ่มความซ้ำซ้อนให้กับข้อความเพื่อให้ผู้ส่งสามารถแก้ไขบิตที่ถูกบิดเบือนได้
Shor และ Steane คิดค่าควอนตัมที่เทียบเท่ากับการส่งบิตเดียวกันสามครั้ง qubits พิเศษเรียกว่า ancillas การวัด qubits เหล่านี้จะบอกผู้รับว่าเกิดข้อผิดพลาดอะไรขึ้นและจะแก้ไข qubits ที่เป็นส่วนหนึ่งของข้อความได้อย่างไร
NMR เป็นผู้นำค่าใช้จ่าย
ความก้าวหน้าครั้งใหญ่ครั้งแรกสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่สร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมเกิดขึ้นจริงในช่วงกลางทศวรรษ 90 เมื่อพวกเขาค้นพบวิธีการคำนวณโดยใช้เทคนิคของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านิวเคลียร์ (NMR) แนวคิดหลักคือโมเลกุลเดี่ยวสามารถทำหน้าที่เหมือนคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กได้ ข้อมูลจะถูกจัดเก็บในทิศทางของการหมุนของนิวเคลียร์ในโมเลกุล โดยแต่ละนิวเคลียสจะมีหนึ่งควิบิต และปฏิสัมพันธ์ระหว่างสปินนิวเคลียร์หรือที่เรียกว่าสปิน-สปินคัปปลิ้ง ทำหน้าที่เป็นสื่อกลางในการดำเนินการทางตรรกะ ในสนามแม่เหล็กแรงสูง นิวเคลียสเหล่านี้จะเคลื่อนที่ไปรอบทิศทางของสนามแม่เหล็กที่ความถี่ซึ่งขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมทางเคมีของพวกมัน
ตัวอย่างเช่น ในสนาม 9.3 เทสลา นิวเคลียสของคาร์บอน-13 ในโมเลกุลคลอโรฟอร์มจะอยู่ที่ประมาณ 100 MHz โดยการประสานโมเลกุลด้วยคลื่นวิทยุที่ปรับตามความถี่เรโซแนนซ์เหล่านี้ เป็นไปได้ที่จะจัดการแต่ละนิวเคลียสแยกกันเพื่อดำเนินการทางตรรกะ การจัดการอาจเกี่ยวข้องกับการพลิกนิวเคลียสจาก 1 เป็น 0 การดำเนินการที่เรียกว่าหนึ่งควิบิตหรือการหมุนบิตเดียว หรืออาจเกี่ยวข้องกับนิวเคลียสที่เชื่อมโยงกันสองตัวในการดำเนินการแบบสองควิบิต ซึ่งค่าของนิวเคลียสหนึ่งจะพลิกในลักษณะที่ขึ้นอยู่กับค่าของอีกอันหนึ่ง
คลอโรฟอร์มที่สร้างด้วยไอโซโทปคาร์บอน-13 เป็นตัวอย่างที่ดีของโมเลกุลที่สามารถทำหน้าที่เป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัมสองควอนตัม เนื่องจากไฮโดรเจนและนิวเคลียสคาร์บอน-13 สามารถระบุได้ด้วยคลื่นวิทยุ จากนั้น การคำนวณควอนตัมจะดำเนินการโดยการเข้ารหัสโปรแกรม ซึ่งเป็นลำดับของการดำเนินการหนึ่งและสองคิวบิต เป็นชุดของพัลส์ RF จากนั้นจะอ่านผลลัพธ์โดยการฟังสัญญาณการเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยนิวเคลียสที่นำหน้าเมื่อสิ้นสุดการคำนวณ สัญญาณนั้นบ่งบอกถึงทิศทางของการหมุนของนิวเคลียร์
เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ฟังดูเหมือนวิธีแก้ปัญหาในฝันสำหรับปัญหาที่มีหนาม นิวเคลียสถูกแยกออกจากเสียงรบกวนจากภายนอกโดยธรรมชาติ จึงสามารถรักษาความเชื่อมโยงกันเป็นเวลาหลายวินาที ซึ่งเพียงพอสำหรับการดำเนินการทางตรรกะหลายร้อยครั้ง นอกจากนี้ NMR ยังเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาเต็มที่ ซึ่งถูกใช้มานานหลายปีสำหรับการถ่ายภาพและการวิเคราะห์ทางเคมี
แต่เทคนิคนี้มีข้อจำกัดที่ร้ายแรงบางประการ โมเลกุลเดี่ยวไม่สร้างสัญญาณที่แรงพอที่จะสังเกตได้ การทดลอง NMR ต้องเกี่ยวข้องกับโมเลกุลจำนวนมาก (ตามลำดับ 10 23 ) เพื่อให้สัญญาณการเหนี่ยวนำแม่เหล็กรวมกันมีขนาดใหญ่พอที่จะหยิบขึ้นมาได้ (โมเลกุลเหล่านี้มักจะกระจายอยู่ในตัวทำละลาย ดังนั้นคอมพิวเตอร์ควอนตัมเครื่องแรกจึงมีหัวใจที่เป็นของเหลว)
ในการเริ่มต้นการคำนวณ ต้องทราบสถานะเริ่มต้นของคอมพิวเตอร์ แต่ในวัสดุที่อุณหภูมิห้อง สถานะการหมุนขึ้นและลงจะถูกกระจายอย่างเท่าเทียมกันและสุ่ม กล่าวอีกนัยหนึ่งคือไม่สามารถทราบสถานะของคอมพิวเตอร์แต่ละเครื่องในโซลูชันได้ ทำให้การคำนวณในภายหลังไม่มีความหมาย
ลอจิกควอนตัม:องค์ประกอบลอจิกที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในการคำนวณควอนตัมคือเกทควบคุม – ไม่ คล้ายกับวงจรอินเวอร์เตอร์ที่ควบคุมได้ ในองค์ประกอบดังกล่าว สถานะของหนึ่ง qubit หรือ qubit ควบคุม กำหนดว่าสถานะสุดท้ายของ qubit ที่สอง หรือ qubit อินพุต จะถูกแปลงกลับโดยชุดของ RF พัลส์
แต่อย่าพูดว่าตาย ในปี 1997 ทั้งสองกลุ่มได้เข้ามาช่วยเหลือควอนตัมคอมพิวติ้งโดยอิสระ Isaac Chuang ซึ่งปัจจุบันอยู่ที่ Almaden Laboratory ของ IBM ใกล้เมือง San Jose รัฐแคลิฟอร์เนีย และ Neil Gershenfeld ที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ในเคมบริดจ์ พบว่าพวกเขาสามารถเปลี่ยนอคติตามธรรมชาติเล็กๆ น้อยๆ ได้ กล่าวคือ หมุนขึ้นแทนที่จะหมุนลง ในส่วนที่เกี่ยวกับสนามแม่เหล็ก — ในนิวเคลียสของโมเลกุลบางตัวให้เป็นประโยชน์ พวกเขาสามารถใช้มันเพื่อสร้างสถานะพื้นดินเทียมชนิดหนึ่ง (00 สำหรับ stystem สองควิบิต) เพื่อเริ่มการคำนวณ ในเวลาเดียวกัน David Cory ที่ MIT และ Amr Fahmy และ Timothy Havel ทั้งจาก Harvard University ใน Cambridge, Mass. ค้นพบว่าการทิ้งระเบิดตัวอย่างด้วยคลื่นวิทยุ พวกเขาสามารถ “ขัดขวาง” สัญญาณจากทุกคนได้อย่างมีประสิทธิภาพ สภาพพื้นดิน