แหล่งกำเนิดแสงควอนตัมเก่าแก่ที่สร้างขึ้นที่ขอบของชิปซิลิคอน

แหล่งกำเนิดแสงควอนตัมเก่าแก่ที่สร้างขึ้นที่ขอบของชิปซิลิคอน

jumbo jili

ปริมาณแสงที่น้อยที่สุดที่คุณสามารถมีได้คือโฟตอนเดียว—สลัวจนมนุษย์มองไม่เห็น แม้ว่าจะมองไม่เห็น แต่พลังงานเล็กๆ น้อยๆ เหล่านี้มีประโยชน์สำหรับการส่งข้อมูลควอนตัมไปรอบๆ ตามหลักการแล้ว ผู้ให้บริการจัดส่งควอนตัมทุกคนจะเหมือนกัน แต่ไม่มีวิธีตรงไปตรงมาในการผลิตโฟตอนที่เหมือนกัน สิ่งนี้ท้าทายอย่างยิ่งเมื่อโฟตอนแต่ละตัวมาจากเศษที่ประดิษฐ์ขึ้น

สล็อต

ตอนนี้ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแมรีแลนด์ได้สาธิตวิธีการใหม่ที่ช่วยให้อุปกรณ์ต่างๆ สามารถปล่อยโฟตอนเดี่ยวที่เกือบจะเหมือนกันได้ซ้ำแล้วซ้ำเล่า นำทีมโดย เอ. รองศาสตราจารย์ Mohammad Hafezi แห่งJames Clark School of Engineeringได้สร้างชิปซิลิกอนที่นำทางแสงไปรอบ ๆ ขอบของอุปกรณ์ ซึ่งได้รับการปกป้องโดยเนื้อแท้จากการหยุดชะงัก ก่อนหน้านี้ Hafezi—จากภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ของ Clark School, Joint Quantum Instituteและ Institute for Research in Electronics and Applied Physics และเพื่อนร่วมงานแสดงให้เห็นว่าการออกแบบนี้สามารถลดโอกาสที่สัญญาณแสงจะเสื่อมลง ในบทความที่ตีพิมพ์ออนไลน์เมื่อวันที่ 10 กันยายนใน Nature ทีมงานอธิบายว่าฟิสิกส์แบบเดียวกันที่ปกป้องแสงตามแนวขอบของชิปยังช่วยให้การผลิตโฟตอนมีความน่าเชื่อถือ
โฟตอนเดี่ยว ซึ่งเป็นตัวอย่างของแสงควอนตัม เป็นมากกว่าแสงสลัวจริงๆ ความแตกต่างนี้เกี่ยวข้องกับแหล่งกำเนิดแสงเป็นอย่างมาก “แสงเกือบทั้งหมดที่เราพบเจอในชีวิตประจำวันเต็มไปด้วยโฟตอน” Elizabeth Goldschmidt นักวิจัยจาก US Army Research Laboratory และผู้เขียนร่วมในการศึกษากล่าว “แต่ต่างจากหลอดไฟตรงที่ มีแหล่งกำเนิดแสงบางแห่งที่เปล่งแสงออกมาจริง ๆ ครั้งละหนึ่งโฟตอน และสิ่งนี้สามารถอธิบายได้ด้วยฟิสิกส์ควอนตัมเท่านั้น” โกลด์ชมิดท์กล่าวเสริม
นักวิจัยหลายคนกำลังทำงานเพื่อสร้างตัวปล่อยแสงควอนตัมที่เชื่อถือได้ เพื่อให้สามารถแยกและควบคุมคุณสมบัติควอนตัมของโฟตอนเดี่ยวได้ Goldschmidt อธิบายว่าแหล่งกำเนิดแสงดังกล่าวน่าจะมีความสำคัญสำหรับอุปกรณ์ข้อมูลควอนตัมในอนาคต รวมถึงการทำความเข้าใจความลึกลับของฟิสิกส์ควอนตัมเพิ่มเติม “การสื่อสารสมัยใหม่อาศัยแสงที่ไม่ใช่ควอนตัมเป็นอย่างมาก” Goldschmidt กล่าว “ในทำนองเดียวกัน พวกเราหลายคนเชื่อว่าโฟตอนเดี่ยวจะมีความจำเป็นสำหรับแอปพลิเคชันการสื่อสารควอนตัมทุกประเภท”
นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างแสงควอนตัมโดยใช้กระบวนการเปลี่ยนสีตามธรรมชาติที่เกิดขึ้นเมื่อลำแสงส่องผ่านวัสดุบางชนิด ในการทดลองนี้ ทีมงานใช้ซิลิคอน ซึ่งเป็นทางเลือกทางอุตสาหกรรมทั่วไปสำหรับแสงนำทาง เพื่อแปลงแสงเลเซอร์อินฟราเรดให้เป็นโฟตอนเดี่ยวที่มีสีต่างกัน
พวกเขาฉีดแสงเข้าไปในชิปที่ประกอบด้วยลูปซิลิกอนขนาดเล็กจำนวนมาก ใต้กล้องจุลทรรศน์ ห่วงจะดูเหมือนสนามแข่งที่เป็นกระจกที่เชื่อมโยงกัน แสงจะหมุนเวียนรอบแต่ละวงเป็นพันๆ ครั้งก่อนจะเคลื่อนไปยังวงข้างเคียง เมื่อยืดออก เส้นทางของแสงจะยาวหลายเซนติเมตร แต่ลูปช่วยให้พอดีกับการเดินทางในพื้นที่ที่เล็กกว่าประมาณ 500 เท่า การเดินทางที่ค่อนข้างยาวจำเป็นในการดึงโฟตอนเดี่ยวหลายคู่ออกจากชิปซิลิกอน
อาร์เรย์แบบวนซ้ำดังกล่าวมักใช้เป็นแหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยว แต่ความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างชิปจะทำให้สีของโฟตอนแตกต่างกันไปในแต่ละอุปกรณ์ แม้แต่ภายในอุปกรณ์เดียว ข้อบกพร่องแบบสุ่มในวัสดุอาจลดคุณภาพโฟตอนโดยเฉลี่ย นี่เป็นปัญหาสำหรับแอปพลิเคชันข้อมูลควอนตัมที่นักวิจัยต้องการให้โฟตอนใกล้เคียงกันมากที่สุด
ทีมงานได้หลีกเลี่ยงปัญหานี้โดยการจัดลูปในลักษณะที่ช่วยให้แสงเดินทางโดยไม่ถูกรบกวนรอบขอบของชิป แม้ว่าจะมีข้อบกพร่องในการผลิตก็ตาม การออกแบบนี้ไม่เพียงแต่ป้องกันแสงจากการรบกวนเท่านั้น แต่ยังจำกัดรูปแบบโฟตอนเดียวที่เกิดขึ้นภายในช่องสัญญาณขอบเหล่านั้น เลย์เอาต์ของลูปทำให้โฟตอนแต่ละคู่เกือบจะเหมือนกันทุกประการ โดยไม่คำนึงถึงความแตกต่างด้วยกล้องจุลทรรศน์ระหว่างวงแหวน ส่วนกลางของชิปไม่มีเส้นทางป้องกัน ดังนั้นโฟตอนที่สร้างขึ้นในพื้นที่เหล่านั้นจึงได้รับผลกระทบจากข้อบกพร่องของวัสดุ
นักวิจัยได้เปรียบเทียบชิปของพวกเขากับชิปที่ไม่มีเส้นทางป้องกัน พวกเขารวบรวมโฟตอนคู่หนึ่งจากชิปต่าง ๆ นับจำนวนที่ปล่อยออกมาและสังเกตสีของพวกเขา พวกเขาสังเกตเห็นว่าแหล่งกำเนิดแสงควอนตัมสร้างโฟตอนสีเดียวคุณภาพสูงได้อย่างน่าเชื่อถือครั้งแล้วครั้งเล่า ในขณะที่เอาต์พุตของชิปแบบเดิมคาดเดาไม่ได้มากกว่า
Sunil Mittal นักวิจัยด้านดุษฏีบัณฑิตของ UMD และผู้เขียนนำในการศึกษาครั้งใหม่กล่าวว่า “ในตอนแรกเราคิดว่าจะต้องระมัดระวังมากขึ้นในการออกแบบ และโฟตอนจะไวต่อกระบวนการผลิตชิปของเรามากขึ้น “แต่น่าประหลาดใจที่โฟตอนที่สร้างขึ้นในช่องขอบที่มีฉนวนหุ้มเหล่านี้เกือบจะเหมือนกันเสมอ ไม่ว่าชิปจะแย่แค่ไหนก็ตาม”
มิททัลเสริมว่าอุปกรณ์นี้มีข้อได้เปรียบเหนือแหล่งโฟตอนเดียวอื่นๆ “ชิปของเราทำงานที่อุณหภูมิห้อง ฉันไม่ต้องทำให้อุณหภูมิเย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่เย็นจัดเช่นเดียวกับแหล่งกำเนิดแสงควอนตัมอื่น ๆ ทำให้การตั้งค่าค่อนข้างง่าย”
ทีมงานกล่าวว่าการค้นพบนี้สามารถเปิดช่องทางใหม่ของการวิจัย ซึ่งรวมแสงควอนตัมกับอุปกรณ์โฟโตนิกที่มีคุณสมบัติป้องกันในตัว “นักฟิสิกส์เพิ่งตระหนักว่าเส้นทางที่มีการป้องกันนั้นเปลี่ยนแปลงวิธีที่โฟตอนมีปฏิสัมพันธ์กับสสาร” Mittal กล่าว “สิ่งนี้อาจมีนัยยะสำหรับสาขาต่างๆ ที่การโต้ตอบของสสารแสงมีบทบาท ซึ่งรวมถึงวิทยาการสารสนเทศควอนตัมและเทคโนโลยีออปโตอิเล็กทรอนิกส์”
เมื่อแยกอิเล็กตรอนหนึ่งตัวต่อจุดแล้ว จำเป็นต้องตั้งค่าการหมุนของพวกมันให้อยู่ในสถานะเริ่มต้นเดียวกัน แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดสร้างสนามแม่เหล็กสถิตของเทสลาสหลายตัวซึ่งทำหน้าที่เป็นกรอบอ้างอิงสำหรับการหมุนในจุดต่างๆ คุณต้องทำให้ทุกอย่างเย็นลงเพื่อป้องกันไม่ให้อิเล็กตรอนกระดิกไปมามากเกินไป ดังนั้นตู้เย็นแบบเจือจางซึ่งหมุนเวียนส่วนผสมของไอโซโทปฮีเลียมเพื่อขจัดความร้อนออกจากสภาพแวดล้อม ทำให้ชิปเย็นตัวลงเหลือประมาณ 30 มิลลิเคลวิน ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ สปินจะถือว่าสถานะพลังงานต่ำที่สุด ซึ่งตามแบบแผนจะหมุนขึ้น [ดู “ การหมุนใหม่บนคอมพิวเตอร์ ”
การวัดการหมุนของอิเล็กตรอนแต่ละตัวถือว่ายากเป็นเวลานาน เนื่องจากปฏิสัมพันธ์กับสนามภายนอกนั้นเล็กมาก ในปี 2547 ฉันและเพื่อนร่วมงานพบวิธีแก้ไขปัญหานี้ เคล็ดลับคือการวัดการหมุนโดยอ้อม ในการทำเช่นนั้น เราชีพจรอิเล็กโทรดใกล้กับจุดควอนตัมด้วยสัญญาณ 5 มิลลิโวลต์ 0.5 ไมโครวินาที พัลส์เหล่านี้ให้พลังงานเพียงพอที่จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากจุดหากสปินของมันลดลง แต่ไม่ใช่หากสปินของมันเพิ่มขึ้น นั่นเป็นเพราะในสนามแม่เหล็ก อิเล็กตรอนแบบหมุนลงจะมีพลังงานสูงกว่าแบบหมุนขึ้น การมีหรือไม่มีอิเล็กตรอนตัวเดียวในจุดจะเปลี่ยนกระแสที่ไหลผ่านช่องอิเล็กตรอนระดับนาโนที่อยู่ถัดจากจุดประมาณ 300 picoamperes เราวัดกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กนี้โดยใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความไวสูง ซึ่งบอกสถานะการหมุน
ในปี 2547 นักวิจัยที่พยายามสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมจากจุดควอนตัมได้บรรลุภารกิจหลักสองประการ: การเริ่มต้นและการอ่านค่าสปิน ขั้นตอนเหล่านี้เป็นขั้นตอนที่สำคัญ แต่สาระสำคัญยังคงขาดหายไป: qu ในการคำนวณด้วย qubits คอมพิวเตอร์ของคุณต้องสามารถทำงานที่สำคัญสี่อย่างได้ antum dot ไม่ได้คำนวณ
ในคอมพิวเตอร์ทั่วไปการดำเนินการใดๆ ที่คุณต้องการดำเนินการกับกลุ่มบิต—และไม่ใช่การดำเนินการของลอจิกบูลีน—สามารถนำไปใช้ได้โดยใช้ประตูลอจิกดิจิตอลสากล ตัวอย่างหนึ่งคือเกท NAND และคุณสามารถสร้างมันขึ้นมาได้ด้วยทรานซิสเตอร์และตัวต้านทานสองสามตัว แต่เกท NAND หรือเกททั่วไปอื่นๆ สำหรับเรื่องนั้น ไม่สามารถใช้สำหรับการคำนวณควอนตัมได้ เนื่องจากไม่สามารถจัดการกับบิตในสถานะการทับซ้อนได้ จำเป็นต้องมีเกทชนิดใหม่—เกทควอนตัมที่สามารถทำงานได้บนคิวบิตแบบซ้อน—เป็นสิ่งจำเป็น

นักทฤษฎีได้ระบุเกทควอนตัมสากลหลายตัวแล้ว เช่นเดียวกับชุดเกท ชุดดังกล่าวประกอบด้วยประตูหมุนหมุนและประตูหมุนสลับ วิธีแรกให้คุณหมุนสปินตามปริมาณที่ควบคุมได้ อาจเป็นการพลิกเต็มจากบนลงล่าง ตัวอย่างเช่น หรือครึ่งพลิกเป็นสถานะการซ้อน อีกเกตหนึ่งให้คุณจับคู่การหมุนของอิเล็กตรอนสองตัว ทำให้พวกมันสลับสถานะได้ ในช่วงสองปีที่ผ่านมา นักทดลองได้ประสบความสำเร็จในการสาธิตประตูทั้งสองนี้โดยใช้จุดควอนตัม

สล็อตออนไลน์

มาครั้งแรกกับการหมุนสปิน ในปี 2548 ทีมที่นำโดยชาร์ลส์ มาร์คัสที่ฮาร์วาร์ดได้จับคู่สปินที่อยู่ใกล้เคียงกันสองครั้งโดยใช้ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าปฏิสัมพันธ์การแลกเปลี่ยน เพื่อให้เข้าใจสิ่งนี้ คุณต้องนึกถึงอิเล็กตรอนไม่ใช่อนุภาคที่มีตำแหน่งที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน แต่เป็นคลื่นที่มีตำแหน่งคลุมเครือและระดับพลังงานมากกว่า อิเล็กตรอนเป็นคลื่นอธิบายทางคณิตศาสตร์โดยฟังก์ชันคลื่น สมการที่กำหนดพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในแง่ของความน่าจะเป็น เมื่ออิเล็กตรอนสองตัวอยู่ใกล้กันมาก คลื่นของอิเล็กตรอนจะทำหน้าที่ทับซ้อนกันบางส่วน และสามารถแลกเปลี่ยนการหมุนของอิเล็กตรอนได้
ความก้าวหน้าที่รายงานในScienceฉบับวันที่ 30 กันยายน พ.ศ. 2548 คือนักวิจัยควบคุมระยะเวลาของการทับซ้อนกันโดยการปรับแรงดันไฟฟ้าบนอิเล็กโทรดที่แยกจุดต่างๆ เมื่อเปิดการโต้ตอบการแลกเปลี่ยนสำหรับช่วงเวลาที่แม่นยำ—เพียงสองสามร้อยพิโควินาที—สถานะการหมุนทั้งสองถูกสลับกัน และเมื่อเปิดการโต้ตอบการแลกเปลี่ยนเป็นเวลาครึ่งหนึ่งนานเท่าใด สปินจะถูก “สลับครึ่ง” โดยถือว่าอยู่ในสถานะพัวพัน
ประตูควอนตัมอีกอันคือประตูหมุนหมุน เพื่อนร่วมงานของฉันและฉันต่อสู้ดิ้นรนมาตั้งแต่ปี 2546 เพื่อสร้างอุปกรณ์ดังกล่าว และในที่สุดเราก็ประสบความสำเร็จในปีที่แล้ว วิธีการที่เราคิดค้นขึ้นนั้นอาศัยการสะท้อนด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก ซึ่งเป็นเทคนิคเดียวกับที่เราใช้เพื่อจัดการกับนิวเคลียสของอะตอมของโมเลกุลอินทรีย์ในต้นแบบ Stanford-IBM ในปี 2544 เรโซแนนซ์แม่เหล็ก ซึ่งใช้ในโรงพยาบาลสำหรับการถ่ายภาพทางการแพทย์ด้วย ขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่าเมื่อสปินอยู่ในสนามแม่เหล็กสถิต มันจะสั่นไหวรอบแกนของสนามด้วยความเร็วที่แน่นอน—ภาพด้านบนส่ายรอบแกนของมัน ตอนนี้ หากคุณใช้สนามแม่เหล็กที่สั่นซึ่งมีความถี่เท่ากับการวอกแวก สปินจะค่อยๆ หมุนได้ อีกครั้ง การหมุนนี้สามารถพลิกแบบเต็มจากบนลงล่างหรือล่างขึ้นบน หรือการหมุนบางส่วน พูดจากบนเป็น superposition
ความท้าทายอย่างหนึ่งที่เราต้องเอาชนะคือการสร้างสนามแม่เหล็กสั่นบนชิปที่ประมาณ 1 มิลลิวินาที แม้แต่สนามเล็กๆ ก็ทำให้อุปกรณ์ของเราร้อนขึ้น ปัญหาอีกประการหนึ่งคือการอ่านสปิน สนามแม่เหล็กที่สั่นไหวทำให้เกิดสนามไฟฟ้าเร่ร่อนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ซึ่งทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากจุด หลังจากลองใช้การออกแบบชิปหลายๆ แบบแล้ว เราพบการกำหนดค่าที่ลดปัญหาเหล่านั้นให้เหลือน้อยที่สุด และตอนนี้เราสามารถหมุนสปินได้ทุกทิศทางที่เป็นไปได้ ความสำเร็จนี้ซึ่งเรารายงานในNature (17 สิงหาคม 2549) เป็นครั้งแรกที่การหมุนของอิเล็กตรอนเดี่ยวถูกควบคุมโดยใช้โครงสร้างนาโนเซมิคอนดักเตอร์
ดังนั้นนักวิจัยจึงสามารถควบคุมสปินเดี่ยวและสปินคู่และวางไว้ในสถานะการทับซ้อนเฉพาะ แต่สปินจะยังคงเป็นแบบนั้นนานแค่ไหน? ไม่นานอย่างที่ปรากฎ การหมุนของอิเล็กตรอนในจุดควอนตัมถูกรบกวนอย่างมากจากการหมุนของนิวเคลียสอะตอมในเซมิคอนดักเตอร์โฮสต์ ผลลัพธ์: ข้อผิดพลาดในการคำนวณ เรารู้ว่าข้อผิดพลาดดังกล่าวเริ่มต้นขึ้นหลังจากผ่านไปเพียงสิบนาโนวินาทีนับจากเวลาที่คุณหมุนสปินในสถานะที่ต้องการ
มีกลอุบายที่ชาญฉลาดบางอย่างเพื่อยืดระยะเวลาที่เรียกว่าการเชื่อมโยงกันนี้ หนึ่งเกี่ยวข้องกับเทคนิคที่เรียกว่าสปินเอคโค่ หลังจากสร้างการหมุนทับซ้อน คุณรอช่วงเวลาสั้นๆ แล้วใช้พัลส์ควบคุมที่หมุนการหมุน 180 องศา จากนั้นคุณปล่อยให้เวลาผ่านไปเท่ากัน และข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นระหว่างช่วงเวลาทั้งสองจะหักล้างกัน โดยการแก้ไขการหมุนด้วยวิธีนี้ เวลาในการเชื่อมโยงกันสามารถขยายได้ถึงสองสามไมโครวินาที ยังค่อนข้างสั้น แต่สำหรับตอนนี้ก็เพียงพอที่จะดำเนินการต่อ

jumboslot

ในสี่ปีของการวิจัยเกี่ยวกับการหมุนอิเล็กตรอนในจุดควอนตัม ส่วนผสมที่จำเป็นทั้งหมดสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้รับการตระหนักแล้ว ขั้นตอนต่อไปมีความชัดเจน อันดับแรก เราต้องรวมฟังก์ชันพื้นฐานทั้งหมดไว้ในระบบเดียว จากนั้นเราจำเป็นต้องขยายระบบจากจุดควอนตัมสองจุดเป็นอาร์เรย์จุดขนาดใหญ่
ส่วนผสมที่จำเป็นทั้งหมดสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้รับรู้แล้ว ตอนนี้เราต้องรวมเข้าด้วยกัน
และเราจำเป็นต้องหาวิธีที่ดีกว่าในการเอาชนะผลกระทบของสภาพแวดล้อมต่อสภาวะการหมุนที่เปราะบาง ซึ่งเป็นความท้าทายพื้นฐานที่สุดที่เรานักวิจัยเผชิญอยู่ในขณะนี้ ความเป็นไปได้ประการหนึ่งคือการสร้างชิปคำนวณควอนตัมจากวัสดุที่ไม่มีการหมุนของนิวเคลียร์ เช่น ซิลิกอน-28 บริสุทธิ์ไอโซโทปหรือคาร์บอน-12 ในที่สุด เราจะต้องลดจำนวนข้อผิดพลาดให้เหลือมากที่สุด 1 ในทุกๆ 10,000 การดำเนินการเบื้องต้น ณ จุดนั้น เราสามารถใช้เทคนิคที่เรียกว่าการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมเพื่อรับประกันการคำนวณที่เชื่อถือได้
ในขณะที่เราก้าวหน้า หัวข้อที่ลึกซึ้งโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เราจะสำรวจในเชิงลึกคือการพัวพัน เราจะต้องหาวิธีที่ดีกว่าในการตรวจจับว่าการเชื่อมต่อนี้มีอยู่จริง การหมุนสองครั้งนั้นพันกันจริงๆ มีการศึกษาการพัวพันกันเป็นประจำในห้องปฏิบัติการโดยใช้โฟตอนและอุปกรณ์เกี่ยวกับสายตา แต่การควบคุมความเชื่อมโยงที่น่ากลัวนี้ระหว่างคะแนนของอิเล็กตรอนในชิปขนาดเท่าเล็บมือยังคงเป็นภูมิประเทศที่ไม่คุ้นเคย พร้อมที่จะสำรวจในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า
จากความไม่แน่นอนมากมายที่รออยู่ข้างหน้า เรายังไม่ทราบแน่ชัดว่าจุดควอนตัมและการหมุนของอิเล็กตรอนจะพาเราไปที่ใด จากความคืบหน้าในช่วงหลายปีที่ผ่านมา เรากล้าพูดว่าการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้จริงอาจเป็นไปได้ภายในสองสามทศวรรษข้างหน้า เพื่อไปถึงจุดนั้น เราจะเชื่อมต่อจุด (ควอนตัม) ต่อไป
คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันกำลังเข้าใกล้ข้อจำกัดพื้นฐานบางประการอย่างรวดเร็ว บางทีปัญหาที่ใหญ่ที่สุดของพวกเขาคือพวกเขาใช้ประโยชน์จากฟิสิกส์คลาสสิกที่ควบคุมการพุ่งอย่างรวดเร็วของอิเล็กตรอนจำนวนนับไม่ถ้วนผ่านทรานซิสเตอร์เกือบเท่าตัว และชิปที่เป็นหัวใจสำคัญของคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันก็ไม่มีที่ว่างให้ฟิสิกส์คลาสสิกทำงาน
ในการทำให้ทรานซิสเตอร์ของชิปเหล่านั้นเปลี่ยนเร็วขึ้น เราจึงอาศัยการทำให้อุปกรณ์มีขนาดเล็กลงเป็นหลัก แต่เมื่อพวกเขาเริ่มเข้าใกล้ 10 นาโนเมตรหรือมากกว่านั้น—และมันเป็นเป้าหมายของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ที่จะไปถึงที่นั่นในทศวรรษหน้า—สิ่งแปลกประหลาดจะเกิดขึ้น อิเล็กตรอนที่ประพฤติตัวดีก่อนหน้านี้จะเริ่มเปิดเผยธรรมชาติของควอนตัม โดยพุ่งผ่านทรานซิสเตอร์ไปตามตัวกำหนดความน่าจะเป็น โดยไม่คำนึงว่าอุปกรณ์จะเปิดหรือปิดอยู่ เมื่อทรานซิสเตอร์ถึงขนาดที่เล็กที่สุดเหล่านั้น และอิเล็กตรอนเริ่มแสดงสีที่แท้จริง คอมพิวเตอร์สร้าง rs จะมีสองทางเลือก: พยายามขจัดความแปลกประหลาดของควอนตัมด้วยเซมิคอนดักเตอร์และทรานซิสเตอร์ชนิดใหม่ที่รุนแรง หรือยอมรับความแปลกประหลาด
เราพูดว่า: ยอมจำนนต่อความแปลกประหลาด การทำงานกับธรรมชาติของควอนตัมแทนที่จะต่อต้านจะเป็นการเปิดพรมแดนใหม่ๆ มากมายสำหรับการประมวลผล และความสำเร็จในช่วงสองสามปีที่ผ่านมาในมหาวิทยาลัยและห้องปฏิบัติการของรัฐบาลทั่วโลกได้แสดงให้เห็นชัดเจนว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่ที่ใช้งานได้จริงสามารถสร้างขึ้นได้ ซึ่งอาจเป็นไปได้ในอีก 25 ถึง 30 ปีข้างหน้า ความสำเร็จเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่สนับสนุนการประมวลผลสมัยใหม่ซึ่งได้รับการพัฒนามาเกือบครึ่งศตวรรษไม่จำเป็นต้องละทิ้ง ในทางกลับกัน สิ่งเหล่านี้จะเป็นประโยชน์ในการทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นจริงในทางปฏิบัติ
เครื่องเหล่านี้จะใช้การคำนวณอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน ที่สะดุดตาที่สุด มีกลุ่มของปัญหาที่คอมพิวเตอร์ทั่วไปสามารถทำได้เพียงเล็กน้อย มากกว่าลองวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ทีละตัว จนกระทั่งคอมพิวเตอร์สะดุดกับคำตอบ สมมติว่าคุณมีหมายเลขโทรศัพท์และต้องการค้นหาชื่อที่จับคู่ไว้ในสมุดโทรศัพท์ที่มีข้อมูล 1 ล้านรายการ คุณทำอะไรไม่ได้มากแต่ไปทีละหน้าเพื่อค้นหาคู่ที่ตรงกัน โดยเฉลี่ยแล้ว คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกของคุณต้องตรวจสอบครึ่งล้านรายการก่อนที่จะค้นหารายการที่ตรงกัน แน่นอนว่าที่ความเร็วของไมโครโปรเซสเซอร์กิกะเฮิรตซ์แม้จะใช้เวลาไม่นาน แต่ก็มีปัญหาที่ใหญ่กว่านั้นอีกมากมายที่นักวิทยาศาสตร์เผชิญอยู่ตลอดเวลา ซึ่งบางปัญหาอาจใช้เวลา 100 ปีในแล็ปท็อปของคุณจึงจะเสร็จสมบูรณ์
หากคุณมีคอมพิวเตอร์ที่ใช้หลักการของกลศาสตร์ควอนตัม คุณก็สามารถตรวจสอบรายการทั้งหมดในสมุดโทรศัพท์ได้ในเวลาเดียวกัน คอมพิวเตอร์ควอนตัมดังกล่าวต้องการเพียง 1,000 ขั้นตอน—หนึ่งในห้าร้อยของสิ่งที่คอมพิวเตอร์คลาสสิกต้องการ—เพื่อค้นหาชื่อที่ถูกต้องในสมุดโทรศัพท์นับล้านรายการ ความสามารถทางทฤษฎีของคอมพิวเตอร์ควอนตัมในการดำเนินการแบบขนานดูเหมือนจะเป็นกลอุบายแปลก ๆ เมื่อพวกเขาฝันถึงในปี 1980 โดย Richard Feynman เป็นครั้งแรกและ David Deutsch อย่างเป็นรูปธรรม แต่ในปี 1994 มีบางอย่างเกิดขึ้นซึ่งทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมกลายเป็นเป้าเล็งของรัฐบาล กองทัพ และทุกคนที่มีความลับดิจิทัลที่ต้องเก็บไว้

slot

Peter Shor นักคณิตศาสตร์เชิงทฤษฎีที่ Bell Labs ได้ค้นพบอัลกอริทึมสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่สามารถระบุปัจจัยเฉพาะของจำนวนเต็มขนาดใหญ่ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น แฟคตอริ่งเป็นหนึ่งในปัญหาที่ผูกคอมพิวเตอร์ทั่วไปเป็นปม คอมพิวเตอร์นั้นแย่มาก ที่จริงแล้ว ระบบเข้ารหัสส่วนใหญ่ในปัจจุบันต้องพึ่งพาผลคูณของจำนวนเฉพาะจำนวนมหาศาล โดยคิดว่าจะใช้เวลาหลายสิบปีของคอมพิวเตอร์ในการแยกตัวประกอบของตัวเลข อัลกอริธึมของ Shor ได้เปลี่ยนแปลงทุกสิ่ง และความคิดที่ว่าข้อมูลจำนวนมากอาจกลายเป็นจุดอ่อนได้จุดประกายการแข่งขันทั่วโลกเพื่อสร้างเครื่องจักรที่มีพลังมากพอที่จะถอดรหัสได้

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