خبر

  • تک بورد - وضعیت سیستم‌های محاسباتی کوانتومی: طرح‌های کنونی و چالش‌های آینده

    وضعیت سیستم‌های محاسباتی کوانتومی: طرح‌های کنونی و چالش‌های آینده
    11 روز و 20 ساعت قبل

    تحلیلگر و کامپیوتر یکپارچه کننده عددی الکترونیکی یا همان طور که معمولاً ENIAC شناخته می شود، محصول ماندگار جنگ جهانی دوم است. به طور کلی به شروع عصر محاسبات مدرن نسبت داده می شود، حتی اگر هدف اصلی آن از نظر محاسباتی بسیار ساده تر بود و به عنوان یک ماشین حساب بالستیک برای جنگ جهانی دوم در نظر گرفته شده بود.

    این رایانه 30 تنی 160 کیلووات برق مصرف می‌کرد، بیش از 1800 فوت مربع (167 متر مربع) و بیش از 17000 لوله خلاء داشت. می توانست 5000 جمع، 357 ضرب یا 38 تقسیم در ثانیه انجام دهد که در آن زمان شاهکاری بی سابقه بود. با این حال، مزیت و تازگی واقعی آن این بود که اولین ماشین قابل برنامه‌ریزی بود و می‌توانست در کنار هدف اصلی خود از آن استفاده شود.

    بین اختراع ترانزیستور لوله خلاء و انیاک تقریباً 50 سال طول کشید تا ساخته شود. ساخته شده؛ با این حال، تحقق سیستم قابل برنامه ریزی درها را برای انسان باز کرد تا به ماه برسد...

    یک محیط قابل برنامه ریزی دری را برای نوآوران در زمینه های مختلف باز می کند تا از ساختار محاسباتی زیرین بهره ببرند. بین اختراع ترانزیستور لوله خلاء و ساخت ENIAC تقریباً 50 سال طول کشید. با این حال، تحقق سیستم قابل برنامه ریزی درها را برای انسان باز کرد تا به ماه برسد، تعداد بی شماری از تکنیک ها و فن آوری های پزشکی، و زمان چرخش بی سابقه ای برای توسعه واکسن.

    https://techbord.com وضعیت سیستم‌های محاسباتی کوانتومی: طرح‌های کنونی و چالش‌های آینده

    ENIAC اولین کامپیوتر دیجیتالی همه منظوره قابل برنامه ریزی بود.

    «سیستم های» محاسبات کوانتومی هنوز در حال توسعه هستند و به این ترتیب کل پارادایم سیستم در جریان است. در حالی که مسابقه برای برتری کوانتومی در میان کشورها و شرکت‌ها در حال افزایش است، هنوز در مراحل اولیه است که آن را "رقابت" نامیده شود.

    فقط چند فناوری کیوبیت بالقوه وجود دارد که برنامه‌نویسی آن عملی است. محیط با انتزاعیاتی که هنوز به طور کامل توسعه نیافته اند، در حال ظهور است، و الگوریتم های کوانتومی نسبتا کمی (البته بسیار هیجان انگیز) برای دانشمندان و پزشکان شناخته شده وجود دارد. بخشی از چالش این است که شبیه سازی برنامه های کاربردی و فناوری کوانتومی در رایانه های کلاسیک بسیار دشوار و تقریباً غیر عملی است -- انجام این کار به این معنی است که رایانه های کلاسیک خودشان بهتر از همتایان کوانتومی خود عمل کرده اند!

    https://techbord.com وضعیت سیستم‌های محاسباتی کوانتومی: طرح‌های کنونی و چالش‌های آینده

    رایانه کوانتومی Sycamore Google

    با این وجود، دولت‌ها در حال سرمایه‌گذاری در این زمینه هستند تا بشریت را به عصر بزرگ بعدی در محاسبات سوق دهند. دهه گذشته پیشرفت چشمگیری را در فناوری‌های کیوبیت نشان داده است، مدارهای کوانتومی و تکنیک‌های کامپایل در حال تحقق هستند، و این پیشرفت منجر به رقابت بیشتر (خوب) به سمت تحقق رایانه‌های کوانتومی کامل شده است.

    ICYMI. : محاسبات کوانتومی چیست؟

    در اولین مقاله خود از این مجموعه دو قسمتی، ما بر جنبه های فیزیکی که محاسبات کوانتومی را اساساً برای محققان امروزی جذاب می کند و مزایای بالقوه فنی و اجتماعی که آن را تبدیل به یک کار می کند، تمرکز کردیم. سرمایه گذاری ارزشمند.

    در این مقاله، ما بر روی پشته محاسبات کوانتومی، کاوش در پیشرفت‌های اخیر در فناوری‌های کیوبیت، نحوه برنامه‌ریزی آنها برای محاسبات، و چالش‌ها و سوالات باز در این زمینه تمرکز خواهیم کرد.

    بیایید درست شیرجه بزنیم!

    Recap of Fundamentals

    در قسمت اول این مجموعه، جنبه های مختلفی را مورد بحث قرار دادیم که باعث می شود محاسبات کلاسیک اساساً د متفاوت از محاسبات کوانتومی ما شما را تشویق می‌کنیم برای جزئیات بیشتر به آن مقاله بروید، اما چند نکته اساسی عبارتند از:

    بیت‌های کوانتومی (کیوبیت‌ها) باینری نیستند: آنها برهم‌نهی‌ای از مقادیر 0 و 1 هستند و بنابراین بسیار گویاتر از یک بیت دیجیتال کلاسیک کیوبیت ها خاصیتی به نام درهم تنیدگی از خود نشان می دهند. این ویژگی به این معنی است که دو (یا بیشتر) کیوبیت ذاتاً با یکدیگر مرتبط هستند. انیشتین این را به عنوان "عمل شبح آور از راه دور" تعریف کرد. کیوبیت ها با گذشت زمان از هم جدا می شوند. به عبارت دیگر، حفظ ارزش کیوبیت ها یک چالش اساسی برای تحقق سیستم های کوانتومی متحمل خطا (FT) در آینده است.

    با توجه به این بلوک‌های سازنده فیزیکی، چه نوع فناوری‌هایی واقعاً می‌توانند از این ویژگی‌ها استفاده کنند؟

    https://techbord.com وضعیت سیستم‌های محاسباتی کوانتومی: طرح‌های کنونی و چالش‌های آینده

    تکنولوژی‌های Qubit

    طراحی کیوبیت برای یک کامپیوتر کوانتومی کار ساده ای نیست. سیستم‌های کوانتومی به جداسازی بسیار دقیق ذرات و توانایی دستکاری سیستم‌های فیزیکی پیچیده تا سطحی از دقت نیاز دارند.

    در سال‌های اخیر چند فناوری رقیب از جمله کیوبیت‌های یونی به دام افتاده وجود دارد. ، کیوبیت های ابررسانا، کیوبیت های اسپین نیمه هادی، اپتیک خطی و کیوبیت های مایورانا. فلسفه کلی طراحی کیوبیت را می توان با چند نکته زیر خلاصه کرد (معیارهای DiVincenzo نامیده می شود):

    کیوبیت های با مشخصه مناسب برای یک سیستم مقیاس پذیر توانایی اولیه سازی کیوبیت ها (برای محاسبه) پایداری کیوبیت ها (یعنی زمان های ناهمدوسی طولانی). ) پشتیبانی از مجموعه دستورالعمل های جهانی برای محاسبات دلخواه توانایی اندازه گیری کیوبیت ها (یعنی بازخوانی بر اساس محاسبات)

    جالب است که این اهداف با یکدیگر تنش دارند -- گویی محاسبات کوانتومی به اندازه کافی پیچیده نیست! به طور خاص، مقداردهی اولیه و انجام محاسبات بر روی یک کیوبیت به تعاملات روی سیستم نیاز دارد، که ذاتا ایزوله مورد نیاز برای پایدار کردن کیوبیت را می شکند. این یکی از دلایلی است که ساخت یک کامپیوتر کوانتومی اساساً دشوار است.

    https://techbord.com وضعیت سیستم‌های محاسباتی کوانتومی: طرح‌های فعلی و چالش‌های آینده

    نمایش گرافیکی: 1) در سمت چپ، کیوبیت‌های ابررسانا که توسط تشدیدگرهای مایکروویو به هم متصل شده‌اند (IBM Research). 2) در سمت راست، زنجیره خطی یون های به دام افتاده که توسط برهمکنش های لیزری به هم متصل شده اند.

    با این وجود، دو گزینه امیدوارکننده برای بیت های دوره NISQ (کوانتومی در مقیاس متوسط ​​پر سر و صدا) به دام افتاده اند. کیوبیت یونی و کیوبیت ابررسانا.

    کیوبیت های یونی به دام افتاده

    یک کیوبیت یونی به دام افتاده روی اتم ها عمل می کند. از آنجایی که چنین کیوبیتی از خواص یون های اتمی استفاده می کند، به طور طبیعی می تواند از طریق سطوح انرژی داخلی اتم ها، از خواص مکانیکی کوانتومی استفاده کند. از یون‌های رایجی مانند Ca+، Ba+، Yb+ (در میان بسیاری دیگر) می‌توان استفاده کرد.

    از لحاظ مفهومی، ایده این است که دو سطح انرژی اتمی یون را مشخص کنیم و آن‌ها را به عنوان سطوح انرژی 0 و 1 نشان دهیم. . انتخاب دو سطح نحوه کنترل کیوبیت را تعیین می کند: جدایی زیاد بین سطوح انرژی (مثلاً 10^15 هرتز، حول فرکانس نور) به معنای استفاده از پرتوهای لیزر برای برانگیختن یون ها و انتقال آنها از یک حالت به حالت دیگر است. یکی دیگر. به این کیوبیت‌های نوری می‌گویند.

    https://techbord.com وضعیت کوانتومی سیستم‌های محاسباتی: طرح‌های کنونی و چالش‌های آینده

    از طرف دیگر کیوبیت‌های بسیار ریز دارای تفکیک انرژی کمتری هستند (حدود 10^10 هرتز). این نوع دوم در فرکانس مایکروویو قرار می گیرد و بنابراین می توان از طریق پالس های مایکروویو کنترل کرد. مزیت گیت های تک کیوبیتی کنترل شده توسط مایکروویو، میزان خطای کمتر آن (10^-6) است، در حالی که نقطه ضعف آن این است که تمرکز بر روی یون های جداگانه به دلیل طول موج زیاد دشوار است.

    چگونه می توانید یک یون را تثبیت کنید و از آن برای محاسبه استفاده کنید؟ همانطور که از نام آن پیداست، برای کنترل آن باید آن را به دام بیاندازید تا در جای خود نگه دارید. این را می توان با اعمال یک میدان الکترومغناطیسی به روشی خاص (یک تله RF Paul) برای منجمد کردن یون در یک نقطه زین انجام داد. هنگامی که یون ها به دام افتادند، باید به صورت فیزیکی خنک شوند تا ارتعاشات و عدم انسجام کاهش یابد. همانطور که ممکن است تصور کنید، چنین تنظیماتی به اجزای زیادی از جمله لیزر، الکترونیک کنترل، هلیوم مایع برای خنک‌سازی، و دقت بسیار بالایی در حین کار نیاز دارد.

    کیوبیت‌های یونی به دام افتاده اخیراً سر و صدای زیادی به دست آورده‌اند. . در 1 اکتبر 2021، IonQ (یک شرکت اسپین‌آوت دانشگاه مریلند) به‌طور عمومی در فهرست NYSE قرار گرفت. در حالی که مبانی نظری از سال 1995 وجود داشته است، اخیراً اجرای آن واقعاً آغاز شده است.

    به‌علاوه، نرخ خطای پایین‌تر آن‌ها فناوری قانع‌کننده‌ای را فراهم می‌کند تا کیوبیت آینده در دوران NISQ باشد. در حالی که همه اینها امیدوارکننده است، کیوبیت های یون به دام افتاده دارای معایبی هستند که بزرگترین آنها کندتر بودن آنها نسبت به کیوبیت های ابررسانا است. این مشخصه ممکن است برای محاسبه خطاهای بلادرنگ که از سیستم خارج می شوند، مهم باشد. به‌علاوه، محدودیت‌هایی برای تعداد یون‌هایی که می‌توانند در یک تله قرار بگیرند و برای تعامل ایجاد شوند، وجود دارد. همه اینها از وعده کیوبیت های یون به دام افتاده کم نمی کند.

    کیوبیت های ابررسانا

    بر خلاف کیوبیت های یون به دام افتاده، یک کیوبیت ابررسانا پیاده سازی شده است. با عناصر مدار چاپی لیتوگرافی. در اصل، اینها "اتمهای مصنوعی" با خواص مکانیکی کوانتومی مطلوب هستند. تا قبل از ظهور اخیر فناوری کیوبیت یون به دام افتاده، کیوبیت‌های ابررسانا توجه صنعتی قابل توجهی را به خود جلب کرده‌اند، زیرا با دقت بیشتری از فناوری مدارهای مجتمع موجود پیروی می‌کند.

    یک کیوبیت ابررسانا حول یک عنصر مدار الکتریکی به نام اتصال جوزفسون می‌چرخد. در اصل یک عایق بین دو ابررسانا است. در زیر دمای بحرانی، مقاومت ابررسانا به صفر می رسد و یک جفت الکترون به نام جفت کوپر را تشکیل می دهد.

    https://techbord.com وضعیت سیستم‌های محاسباتی کوانتومی: طرح‌های کنونی و چالش‌های آینده

    الکترون‌های سنتی +-½ اسپین دارند (که به فرمیون‌ها معروف هستند)، در حالی که کوپر جفت ها دارای اسپین کل 0 (بوزون) هستند. در اتصال جوزفسون، جفت‌های کوپر می‌توانند تونل کوانتومی ایجاد کنند و سطوح انرژی گسسته‌ای را که برای ساخت یک کیوبیت لازم است ایجاد کنند. تعداد جفت های کوپر تونل زنی در سراسر اتصال به حالت کوانتومی مربوط می شود. انواع مختلفی از کیوبیت های ابررسانا وجود دارد، از جمله کیوبیت های شارژ، کیوبیت شار و کیوبیت فاز، که در طراحی مدار و (به نوبه خود) عملکرد و مکانیسم های فیزیکی آنها برای پیاده سازی، کنترل و اندازه گیری یک کیوبیت متفاوت است.

    < p> کیوبیت‌های ابررسانا درها را برای فناوری‌های مختلف، از جمله کیوبیت‌های اسپین مبتنی بر سیلیکون، باز کرده‌اند و از پشتوانه صنعتی طولانی‌تری نسبت به کیوبیت‌های یون به دام افتاده برخوردار بوده‌اند. در این مرحله هیچ پیروز واضحی در فضای فناوری وجود ندارد: هر فناوری مزایای خاص خود را با پشتیبانان مختلف دارد. در عین حال، محدودیت‌های اساسی به نوآوری بیشتر در همه زمینه‌ها برای شناسایی کیوبیت‌های ایده‌آل برای سیستم‌های محاسباتی کوانتومی آینده کمک می‌کند.

    دروازه‌های کوانتومی

    بسته به فناوری کیوبیت، گیت‌های منطق کوانتومی (یا دقیق‌تر، عملیات کیوبیت یا دستورالعمل‌های کوانتومی) به عملیات فیزیکی متفاوتی برای پردازش اطلاعات نیاز دارند. یک دروازه کوانتومی اساساً یک تبدیل منطقی است که با ماتریس های واحد نشان داده می شود.

    به یاد بیاورید که در حالی که محاسبات کلاسیک تحت قوانین جبر بولی عمل می کنند، محاسبات کوانتومی تحت قوانین جبر خطی عمل می کنند. بنابراین، تبدیل/دروازه اساساً عملیاتی است که حالت کیوبیت را به حالت دیگری تغییر می‌دهد، که می‌تواند بر اساس برهم نهی مقدار 0 و 1 آن تفسیر شود.

    https://techbord.com وضعیت سیستم‌های محاسباتی کوانتومی: طرح‌های فعلی و چالش‌های آینده

    معماری کوانتومی، با این حال، چنین جداسازی ساده ای ندارد، زیرا "محاسبه" با تبدیل های فیزیکی در "حافظه کیوبیت" رخ می دهد، و اساساً با فناوری مرتبط است. اگرچه این ممکن است برای یک برنامه نویس رایانه سنتی کمی غریب به نظر برسد، اما با یک مزیت منحصر به فرد همراه است: رایانه های کوانتومی می توانند به شدت از محاسبات برگشت پذیر استفاده کنند.

    عملیات برگشت پذیر عملیاتی است که در آن تابع انتقال، حالت های محاسباتی قدیمی را به تصویر می کشد. موارد جدید یک تابع یک به یک است. به عبارت دیگر، دانستن حالت‌های منطقی خروجی، حالت‌های منطقی ورودی عملیات محاسباتی را به‌طور منحصربه‌فرد تعیین می‌کند. به عنوان مثال، یک دروازه NOT یک تابع برگشت پذیر است که روی یک بیت (یا کیوبیت) کار می کند. با بسط، یک گیت کنترل‌شده-NOT (یا CNOT) از دو بیت/کیوبیت منطقی استفاده می‌کند، جایی که بیت دوم نحوه/زمان بازگرداندن گیت NOT را کنترل می‌کند. به عنوان یک قیاس، یک دروازه CNOT را می توان به عنوان یک دروازه XOR برگشت پذیر در نظر گرفت. افزودن یک بیت/کیوبیت کنترل دیگر، دروازه تافولی را معرفی می‌کند، جایی که می‌توانید بیت کنترلی را که وارد یک گیت CNOT می‌شود، کنترل کنید.

    این چگونه برای محاسبات کوانتومی مفید و مرتبط است؟ خوب، دروازه تافولی یک محاسبات برگشت پذیر جهانی است، به این معنی که شما می توانید هر مدار منطقی بولی (احتمالا غیر قابل برگشت) را تنها با استفاده از گیت های تافولی پیاده سازی کنید. در طراحی محاسباتی فون نویمان، این شبیه به یک گیت NAND (Not-AND) است، و قابل تعمیم بودن آن دلیلی است که ما امروزه می‌توانیم کامپیوتری را برای انجام عملاً هر محاسباتی برنامه‌ریزی کنیم (و میلیون‌ها عدد از آنها را خیلی سریع انجام دهیم). p>





خبرهای دیگر از امکانات