20 Qubits ที่พันกันทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมใกล้ชิดยิ่งขึ้น
ในปี 1981 Richard Feynman แนะนำว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจสามารถจำลองวิวัฒนาการของระบบควอนตัมได้ดีกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไป ยกเว้นการทดลองพิสูจน์หลักการหลายครั้ง ยังไม่มีการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้
ในขณะที่นักวิจัยประสบความสำเร็จในการสร้าง qubits ที่อยู่รอดได้นานพอที่จะมีส่วนร่วมในการคำนวณ แต่การเข้าไปพัวพันกับ qubits เพื่อให้สามารถสร้างการลงทะเบียนควอนตัมที่ใหญ่พอสำหรับวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติใด ๆ ได้หลบผู้ทดลองมาจนถึงขณะนี้ Registers เก็บข้อมูลไว้ชั่วคราวภายในโปรเซสเซอร์ระหว่างการคำนวณ
ผลลัพธ์ที่ตีพิมพ์เมื่อสัปดาห์ที่แล้วในPhysical Review Xโดยทีมนักวิจัยจากเยอรมนีและออสเตรีย ได้จุดประกายการมองโลกในแง่ดีอีกครั้งในการแสวงหาคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้ พวกเขารายงานการลงทะเบียนควอนตัม 20 qubits ซึ่งเมื่อพันกันสามารถจัดเก็บสถานะควอนตัมได้มากกว่าหนึ่งล้านสถานะ
เพื่อสร้าง qubits แต่ละตัว นักวิจัยได้ดักจับแคลเซียมไอออน 20 ตัวในกับดักไฟฟ้าสถิต สนามไฟฟ้าหนึ่งสนามบังคับให้ไอออนเหล่านี้เป็นเส้นเดียว สนามไฟฟ้าด้านข้างอีกอันดันเข้าด้วยกันเพื่อให้อยู่ในตำแหน่งห่างกัน 5 ไมโครเมตร
แคลเซียมไอออนเหล่านี้มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนภายนอกซึ่งสปินสามารถครอบครองสองสถานะ ขึ้นหรือลง นี่คือสถานะควอนตัมสองสถานะ 0 หรือ 1 ของ qubit แต่ qubit ยังสามารถครอบครองสถานะที่ค่าทั้งสองอยู่ใน superposition
เมื่อสอง qubits ในการทับซ้อนยังพันกัน พวกมันสามารถเก็บการรวมกันของสถานะควอนตัมของ qubits ที่เป็นไปได้ทั้งหมด ส่งผลให้เกิดค่าสี่ค่า การเพิ่ม qubit อื่นให้กับคู่ที่พันกันจะเพิ่มจำนวนชุดค่าผสมเป็นสองเท่าและทำให้ค่าที่สามารถจัดเก็บได้เป็นต้น หลังจาก 20 การเสแสร้งดังกล่าว 20 qubit ที่พันกันสามารถเก็บ 2 20หรือ 1,048,576 ค่า
แม้ว่าจะฟังดูน่าประทับใจในแง่ของการคำนวณแบบคลาสสิก แต่จำนวนนั้นน้อยเกินไปที่จะคำนวณควอนตัม ซึ่งแตกต่างจากคอมพิวเตอร์ทั่วไปซึ่งประมวลผลการคำนวณตามขั้นตอนตามลำดับจำนวนมากที่กำหนดโดยโปรแกรม การลงทะเบียน qubit ได้รับคำสั่งทั้งหมดสำหรับการคำนวณในครั้งเดียว และแยกผลลัพธ์ออกเกือบจะในทันทีในกระบวนการเดียว ดังนั้น การลงทะเบียนควอนตัมต้องมี qubits ที่เพียงพอ อย่างน้อยหลายพัน เพื่อรองรับคำสั่งสำหรับการคำนวณ
“ทุกครั้งที่คุณทำการวัด คุณจะทำลายสภาพที่พันกัน”
เพื่อเข้าไปพัวพันกับแคลเซียมไอออนแต่ละตัว นักวิจัยใช้ลำแสงเลเซอร์เพื่อทำให้ไอออนเข้าสู่สถานะควอนตัมสลับกัน (1,0,1,0,1…) พวกเขาทำเช่นนี้ด้วยลำแสงเลเซอร์ที่แคบมาก กว้างหนึ่งความยาวคลื่น และด้วยออปติกที่แม่นยำเพื่อยิงไอออนที่สลับกันในกลุ่มผลิตภัณฑ์
Martin Plenioนักฟิสิกส์จาก University of Ulm ในเยอรมนีกล่าวว่า “เราใช้อุปกรณ์อะคูสติกที่เบี่ยงเบนแสงเลเซอร์ในระยะทางที่น้อยมาก จากนั้นลำแสงเลเซอร์ใหม่ กว้างสองความยาวคลื่น ถูกนำไปยังกลุ่มผลิตภัณฑ์ที่ได้รับการจัดการ สิ่งนี้ทำให้เกิดปฏิสัมพันธ์ระหว่าง qubit-qubit ที่นำไปสู่การพัวพัน
ในขั้นต้น เพื่อนบ้านที่ใกล้ชิดในเชือกจะพันกัน แต่ในไม่ช้าคู่ที่พันกันจะกลายเป็นมือที่สาม จากนั้นสี่ ห้า และต่อไปเรื่อยๆ จนกระทั่งห่วงโซ่ทั้งหมดพันกัน Plenio อธิบาย “มันแพร่กระจายเหมือนคลื่นผ่านระบบ” เขากล่าว
ทันทีที่การพันกันของห่วงโซ่ทั้งหมดถือว่าสมบูรณ์ สถานะของไอออนแต่ละตัวสามารถระบุได้ด้วยเลเซอร์ โดยแสงที่กระจัดกระจายทำให้ทีมวิจัยสามารถกำหนดสถานะควอนตัมของไอออนได้ “คุณสามารถเห็นไอออนแต่ละตัวในกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคัลได้” Plenio กล่าว
อย่างไรก็ตาม กลศาสตร์ควอนตัมช่วยให้คุณดูเพียงครั้งเดียว “ทุกครั้งที่คุณทำการวัด คุณจะทำลายสภาพที่พันกัน ดังนั้นการวัดจึงเกิดขึ้นหลังจากพัวพันได้ไม่นาน และเกิดซ้ำเป็นพันๆ ครั้ง สิ่งนี้ทำให้เราสร้างสถิติได้ และด้วยสิ่งนี้ เราจึงได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับสถานะควอนตัม” Plenio อธิบาย
ขั้นตอนต่อไปคือการทำซ้ำการทดสอบด้วยอิออน 50 ตัว Plenio กล่าว: “ตอนนี้เรามีกลุ่มผลิตภัณฑ์ที่มี 50 ไอออน แต่เราต้องเรียนรู้วิธีควบคุมพวกมัน” และการตีความผลลัพธ์จะไม่ง่ายเช่นกัน “ระบบของสถานะควอนตัมที่มีคิวบิตพันกันจำนวนมากกลายเป็นเรื่องที่ซับซ้อนมาก” เขากล่าว
สิ่งนี้จะต้องใช้การปรับแต่งอย่างละเอียดและวิธีการใหม่ในการตรวจสอบ qubits ที่พันกันจำนวนมาก Ben Lanyonประจำสถาบัน Quantum Optics และ Quantum Information ในประเทศออสเตรียกล่าวว่า “ในขณะที่เราเติบโตขึ้น เราตระหนักดีว่าเราต้องตรวจสอบสิ่งที่เรากำลังทำอยู่
โรเจอร์ Melkoของมหาวิทยาลัยวอเตอร์ลูในแคนาดาเป็นในแง่ดี อย่างไร “การสาธิตการควบคุมคุณสมบัติควอนตัมของ qubits แต่ละตัวอย่างประณีตนี้เป็นลางดีสำหรับการเดินขบวนสู่จอกศักดิ์สิทธิ์อย่างต่อเนื่องซึ่งเป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่แท้จริง”
นอกจากนี้เรายังต้องทำการเปลี่ยนแปลงหลายวิธีในการออกแบบเพื่อให้เป็นไปตามคำมั่นสัญญาของ SoIF Si-IF เป็นสารตั้งต้นแบบพาสซีฟ—เป็นเพียงตัวนำโดยไม่มีสวิตช์—ดังนั้นการเชื่อมต่อระหว่างไดเร็กตอรี่จึงจำเป็นต้องสั้น สำหรับการเชื่อมต่อที่ยาวขึ้นซึ่งอาจต้องเชื่อมโยงไดเอเลตที่อยู่ห่างไกลกับระบบระดับเวเฟอร์ เราจำเป็นต้องมีไดเล็ตระดับกลางเพื่อช่วยส่งข้อมูลต่อไป อัลกอริธึมการออกแบบที่ทำการกำหนดเลย์เอาต์และพินจะต้องยกเครื่องใหม่เพื่อใช้ประโยชน์จากการผสานรวมรูปแบบนี้ และเราจะต้องพัฒนาวิธีการใหม่ๆ ในการสำรวจสถาปัตยกรรมระบบต่างๆ ที่ใช้ประโยชน์จากความหลากหลายและความสามารถในการอัปเกรดของ SoIF
เราต้องคำนึงถึงความน่าเชื่อถือของระบบด้วย หากพบว่าไดเลตมีข้อบกพร่องหลังจากการยึดติดหรือเกิดความล้มเหลวระหว่างการทำงาน จะเป็นการยากที่จะเปลี่ยน ดังนั้น SoIF โดยเฉพาะอย่างยิ่งขนาดใหญ่ จำเป็นต้องมีความทนทานต่อข้อผิดพลาดในตัว ความทนทานต่อข้อผิดพลาดสามารถนำไปใช้ที่ระดับเครือข่ายหรือที่ระดับไดเล็ต ในระดับเครือข่าย การกำหนดเส้นทางระหว่างไดเล็ตจะต้องสามารถเลี่ยงไดเอตที่ผิดพลาดได้ ในระดับไดเล็ต เราสามารถพิจารณากลเม็ดความซ้ำซ้อนทางกายภาพ เช่น การใช้เสาทองแดงหลายเสาสำหรับพอร์ต I/O แต่ละพอร์ต
แน่นอน ประโยชน์ของการประกอบไดเล็ตนั้นขึ้นอยู่กับการมีไดเล็ตที่มีประโยชน์เพื่อรวมเข้ากับระบบใหม่ ในขั้นตอนนี้ อุตสาหกรรมยังคงค้นหาว่าจะทำไดเล็ตตัวไหน คุณไม่สามารถสร้างไดเอเล็ตสำหรับระบบย่อยทุกระบบของ SoC ได้ง่ายๆ เพราะไดเอเล็ตบางตัวอาจเล็กเกินกว่าจะรับมือได้ แนวทางหนึ่งที่มีแนวโน้มคือการใช้การขุดเชิงสถิติของการออกแบบ SoC และ PCB ที่มีอยู่เพื่อระบุว่าฟังก์ชันใด “ชอบ” ที่จะอยู่ใกล้กัน หากฟังก์ชันเหล่านี้เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีการผลิตแบบเดียวกันและเป็นไปตามรอบการอัพเกรดที่คล้ายคลึงกันด้วย ฟังก์ชันเหล่านี้ควรคงอยู่ในไดเล็ตเดียวกัน
นี่อาจดูเหมือนเป็นรายการปัญหาที่ต้องแก้ไข แต่นักวิจัยกำลังจัดการกับปัญหาบางส่วนผ่านโครงการCommon Heterogeneous Integration และ IP Reuse Strategies (CHIPS)ของ Defense Advanced Research Projects Agency ตลอดจนผ่านกลุ่มอุตสาหกรรม และถ้าเราสามารถแก้ปัญหาเหล่านี้ได้ มันจะไปไกลในการสานต่อกฎของมัวร์ที่เล็กกว่า เร็วกว่า และถูกกว่าต่อไป
นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาสิ่งที่พวกเขากล่าวว่าเป็นการออกแบบที่สมบูรณ์ครั้งแรกสำหรับไมโครชิปควอนตัมซิลิคอน มันแสดงถึงความเป็นไปได้ของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ผลิตขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีซิลิกอนแบบเดิมทั้งหมด
คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกจะสลับเปิดหรือปิดทรานซิสเตอร์เพื่อแสดงข้อมูลเป็นหนึ่งและศูนย์ ในทางตรงกันข้าม คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ควอนตัมบิตหรือคิวบิต ซึ่งเนื่องจากธรรมชาติของกลศาสตร์ควอนตัม สามารถอยู่ในสถานะซ้อนทับโดยที่ทั้งสองมีค่าเป็น 1 และ 0 พร้อมกัน
การทับซ้อนช่วยให้ qubit ทำการคำนวณสองครั้งพร้อมกัน ถ้าสอง qubits มีการเชื่อมโยงทางกลควอนตัมหรือพันกัน พวกเขาสามารถช่วยดำเนินการคำนวณ2 2หรือสี่พร้อมกัน สาม qubits, 2 3หรือแปดการคำนวณ; และอื่นๆ โดยหลักการแล้ว คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มี 300 qubits สามารถคำนวณได้ในทันทีมากกว่าที่มีอะตอมในจักรวาลที่มองเห็นได้
ทีมวิจัยทั่วโลกกำลังสำรวจวิธีการต่างๆ มากมายในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีประโยชน์ มีอย่างน้อยห้าคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่สำคัญคือวิธีการสำรวจ: qubits ซิลิกอนสปิน , ดักไอออน , ยิ่งยวดลูป , ตำแหน่งงานว่างเพชรและqubits ทอพอโลยี
ความท้าทายประการหนึ่งที่กลยุทธ์การคำนวณควอนตัมต้องเผชิญคือ qubits มีความเสี่ยงสูงต่อการถูกรบกวนจากความร้อนและเสียงรบกวนอื่นๆ เพื่อเอาชนะความเปราะบางนี้ คอมพิวเตอร์ควอนตัมจำเป็นต้องใช้รหัสแก้ไขข้อผิดพลาดเพื่อป้องกันการรบกวน ตัวอย่างเช่น ข้อมูลจาก qubit “เชิงตรรกะ” เดียวสามารถแพร่กระจายไปยัง qubit “ทางกายภาพ” ที่พัวพันกันมากเพื่อลดโอกาสที่สิ่งรบกวนสิ่งแวดล้อมจะรบกวนข้อมูลที่เป็นปัญหา
ความต้องการของรหัสแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมแนะนำว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจต้องการคิวบิตมากถึงล้านเพื่อแก้ปัญหาที่ซับซ้อนและพิสูจน์ว่ามีประโยชน์ การขยายกลยุทธ์การคำนวณควอนตัมที่มีอยู่เป็น qubits จำนวนมากได้พิสูจน์ให้เห็นถึงความท้าทายที่น่ากลัว
ตอนนี้กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ในออสเตรเลียได้พัฒนาการออกแบบที่พวกเขากล่าวว่าสามารถรวมซิลิกอนสปินคิวบิตนับล้านเข้ากับไมโครชิปได้ ยิ่งไปกว่านั้น “ส่วนประกอบทั้งหมดสามารถผลิตได้โดยใช้โรงงานผลิตชิปซิลิกอนทั่วไปโดยใช้วัสดุ CMOS มาตรฐาน” Andrew Dzurak ผู้อำนวยการ Australian National Fabrication Facility แห่งมหาวิทยาลัยนิวเซาธ์เวลส์ในซิดนีย์กล่าว Dzurak เป็นผู้เขียนอาวุโสของบทความที่มีรายละเอียดงานของกลุ่มที่ได้รับการตีพิมพ์ในวันนี้ในวารสารNatureฉบับออนไลน์
ความก้าวหน้าที่สำคัญอย่างหนึ่งในพิมพ์เขียวชิปนี้คือสถาปัตยกรรมของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปที่สามารถจัดการและอ่านข้อมูลจากหลายล้าน qubits Dzurak กล่าว การออกแบบการคำนวณควอนตัมอื่น ๆ ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่สถาปัตยกรรมระดับ qubit เท่านั้นและละเลยส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปหรืออย่างอื่นได้รวมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมไว้บนชิปแยกกัน เขากล่าวเสริม “นี่เป็นครั้งแรกที่รวมทุกอย่างไว้ในชิปตัวเดียว” Dzurak กล่าว
คุณสมบัติที่สำคัญอีกประการของพิมพ์เขียวนี้คือรหัสแก้ไขข้อผิดพลาดรูปแบบใหม่ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับซิลิกอนสปิน qubits Dzurak กล่าว “โดยพื้นฐานแล้วจะอนุญาตให้มี 1 ล้าน qubits บนชิปที่มีขนาดเท่ากับไมโครโปรเซสเซอร์ทั่วไป” เขากล่าว
หนึ่งในขั้นตอนแรกที่จำเป็นในการใช้พิมพ์เขียวนี้คือการออกแบบทรานซิสเตอร์ที่ใช้เพื่อเลือก qubits Dzurak กล่าว อีกวิธีหนึ่งคือการออกแบบเลย์เอาต์ส่วนประกอบที่แม่นยำและขนาดฟีเจอร์เพื่อลดการพูดคุยระหว่างส่วนประกอบให้น้อยที่สุด เขากล่าวเสริม “ทุกขั้นตอนจะเกี่ยวข้องกับการออกแบบและพัฒนากระบวนการผลิตเฉพาะสำหรับส่วนประกอบแต่ละส่วนของสถาปัตยกรรม ตั้งแต่อิเล็กโทรดประตูคิวบิตไปจนถึงสายเชื่อมต่อ” Dzurak กล่าว
ปัจจุบันนักวิจัยมีเงินทุน 63.7 ล้านเหรียญสหรัฐในการพัฒนาวงจรรวมซิลิคอนควอนตัมต้นแบบขนาด 10 บิตภายในปี 2565 กองทุนดังกล่าวเป็นส่วนหนึ่งของข้อตกลงที่มหาวิทยาลัยนิวเซาธ์เวลส์บรรลุข้อตกลง บริษัทโทรคมนาคมของออสเตรเลีย Telstra ธนาคารเครือจักรภพแห่งออสเตรเลียและ รัฐบาลออสเตรเลียและนิวเซาธ์เวลส์ ในเดือนสิงหาคม พันธมิตรเหล่านี้ได้เปิดตัวบริษัทควอนตัมคอมพิวเตอร์แห่งแรกของออสเตรเลีย นั่นคือ Silicon Quantum Computing Pty Ltd เพื่อพัฒนาและจำหน่ายเทคโนโลยีของทีมวิจัยในเชิงพาณิชย์
“เราจะไม่ตั้งเป้าไปที่ชิปล้านควิบิตในวันแรก” Dzurak กล่าว “เราจะเริ่มต้นด้วยเป้าหมายที่เจียมเนื้อเจียมตัวมากขึ้น เช่น อุปกรณ์ 10 บิต จากนั้นย้ายไปที่ 100 คิวบิต จากนั้นค่อย ๆ พัฒนาเป็น 1 ล้าน ในลักษณะเดียวกับที่กฎของมัวร์กำหนดไว้สำหรับไมโครโปรเซสเซอร์ทั่วไป”
ด้วยกฎของมัวร์ที่ช้าลง วิศวกรได้พิจารณาอย่างถี่ถ้วนว่าสิ่งใดจะทำให้คอมพิวเตอร์ทำงานต่อไปได้เมื่อมันหายไป แน่นอนว่าปัญญาประดิษฐ์จะมีบทบาท การคำนวณควอนตัมก็เช่นกัน แต่มีสิ่งแปลกปลอมในจักรวาลของการคำนวณ และบางเรื่องก็ได้ออกอากาศที่งานIEEE International Conference on Rebooting Computingในเดือนพฤศจิกายน
นอกจากนี้ยังมีรูปแบบสุดเจ๋งบางอย่างในคลาสสิก เช่น การคำนวณแบบย้อนกลับ และ ชิปนิวโรมอร์ฟิค แต่บางคนที่ไม่ค่อยคุ้นเคยก็ใช้เวลาอยู่กลางแดดเช่นกัน เช่น ชิปโฟโตนิกส์ที่เร่ง AI, ลอจิกรูปหวีนาโนกล และระบบรู้จำเสียง “ไฮเปอร์มิติ” สิ่งต่อไปนี้รวมถึงรสชาติของทั้งของแปลกและผลกระทบที่อาจเกิดขึ้น