Konputazio kuantikoaren aurrerapenen seriea
Ordenagailu arrunt batek, gaur egun ordenagailu klasiko edo tradizional gisa aipatzen dena, 0 eta 1 (zeroak eta bat) oinarrizko kontzeptuan lan egiten du. galdetzen dugunean ordenagailua guretzat zeregin bat egiteko, adibidez, kalkulu matematiko bat edo hitzordu baten erreserba bat edo eguneroko bizitzarekin zerikusia duen edozer gauza, une jakin batean zeregin hori 0 eta 1eko kate batean bihurtzen da (edo itzultzen da (hori deitzen zaio gero). input), sarrera hau algoritmo batek prozesatzen du (ordenagailu batean zeregin bat betetzeko bete beharreko arau multzo gisa definitua). Prozesamendu honen ondoren, 0 eta 1eko kate berri bat itzultzen da (irteera izenekoa), eta espero den emaitza kodetzen du eta erabiltzaileak ordenagailuak egin nahi zuenaren "erantzun" gisa itzultzen da informazio errazagoa. . Liluragarria da algoritmoa zein adimentsu edo burutsua ager daitekeen eta zereginaren zailtasun-maila edozein izanda ere, ordenagailuko algoritmo batek gauza bakarra egiten duela –bit katea manipulatzea– non bit bakoitza 0 edo 1 den. manipulazioa ordenagailuan gertatzen da (softwarearen amaieran) eta makina mailan zirkuitu elektrikoek adierazten dute (ordenagailuaren plakan). Hardwarearen terminologian korrontea zirkuitu elektriko hauetatik igarotzen denean, itxita dago eta irekita dago korronterik ez dagoenean.
Ordenagailu klasikoa vs kuantikoa
Beraz, ordenagailu klasikoetan, bit bat bi egoera posibleetan egon daitekeen informazio pieza bakarra da – 0 edo 1. Hala ere, buruz hitz egiten badugu. kuantikoaren ordenagailuek, normalean bit kuantikoak erabiltzen dituzte ('qubit' ere deitzen zaie). Hauek bi egoera dituzten sistema kuantikoak dira, hala ere, ohiko bitak ez bezala (0 edo 1 gisa gordeta), qubitek askoz informazio gehiago gorde dezakete eta balio horien edozein suposiziotan egon daitezke. Modu hobean azaltzeko, qubit bat irudimenezko esfera bat dela pentsa daiteke, non qubita esferaren edozein puntu izan daitekeen. Esan daiteke konputazio kuantikoak partikula azpiatomikoek une bakoitzean egoera batean baino gehiagotan egoteko eta oraindik elkarren artean esklusiboak izateko duten gaitasunaz baliatzen dela. Bestalde, bit klasiko bat bi egoeratan bakarrik egon daiteke, adibidez, esferaren bi poloren amaieran. Bizitza arruntean ez gara gai "gainjartze" hori ikusteko, sistema bat bere osotasunean ikusita, gainjartze horiek desagertzen direlako eta hori baita gainjartze horien ulermena argi ez egotearen arrazoia.
Horrek esan nahi du ordenagailuentzat, qubitak erabiltzen dituzten ordenagailu kuantikoek informazio kopuru handia gorde dezaketela ordenagailu klasiko batek baino energia gutxiago erabiliz eta, beraz, eragiketak edo kalkuluak nahiko azkarrago egin daitezke ordenagailu kuantikoan. Beraz, ordenagailu klasiko batek 0 edo 1 har dezake, ordenagailu honetan bi bit lau egoera posibleetan egon daitezke (00, 01, 10 edo 11), baina une bakoitzean egoera bakarra adierazten da. Ordenagailu kuantiko batek, bestalde, gainposizioan egon daitezkeen partikulekin lan egiten du, bi qubit-ek aldi berean lau egoera berdinak irudikatzeko aukera ematen baitu gainezarpenaren propietateak ordenagailuak "murriztapen bitar"tik askatzen dituelako. Hau aldi berean exekutatzen diren lau ordenagailuren baliokidea izan daiteke eta qubit hauek gehitzen baditugu, ordenagailu kuantikoaren potentzia esponentzialki hazten da. Ordenagailu kuantikoek "entanglement kuantikoa" izeneko beste propietate bat ere aprobetxatzen dute, Albert Einsteinek definitu duena. Entanglementa partikula kuantikoei konektatu eta komunikatzea ahalbidetzen dien propietate bat da. unibertsoa beraz, baten egoera aldatzeak berehala eragin diezaioke besteari. "Gaineratze" eta "entanglement" gaitasun bikoitzak nahiko indartsuak dira printzipioz. Horregatik, ordenagailu kuantiko batek lor dezakeena imajinaezina da ordenagailu klasikoekin alderatuta. Horrek guztiak oso zirraragarria eta zuzena dirudi, hala ere, agertoki honetan arazoa dago. Konputagailu kuantiko batek, sarrera gisa qubitak (bit gainjarri) hartzen baditu, bere irteera ere egoera kuantikoan ere antzekoa izango da, hau da, bit gainjarri dituen irteera bat, zein egoeratan dagoen egoeraren arabera aldatzen joan daiteke. Benetan informazio guztia jasotzeko aukera ematen digu eta, beraz, konputazio kuantikoaren artearen erronkarik handiena irteera kuantiko horretatik informazio gehiago lortzeko moduak aurkitzea da.
Ordenagailu kuantikoa hemen egongo da!
Ordenagailu kuantikoak makina indartsu gisa defini daitezke, informazioa prozesatzeko ikuspegi guztiz berria hartzen duten mekanika kuantikoaren printzipioetan oinarrituta. Betidanik egon baina normalean ezkutuan egon diren naturaren lege konplexuak arakatu nahi dituzte. Horrelako fenomeno naturalak arakatu badira, konputazio kuantikoak algoritmo mota berriak exekutatu ditzake informazioa prozesatzeko eta honek aurrerapen berritzaileak ekar ditzake materialen zientzian, botiken aurkikuntzan, robotikan eta adimen artifizialean. Konputagailu kuantiko baten ideia Richard Feynman fisikari teoriko estatubatuarrak proposatu zuen 1982an. Eta gaur egun, teknologia-enpresek (adibidez, IBM, Microsoft, Google, Intel) eta erakunde akademikoak (MIT eta Princeton Unibertsitatea, esaterako) kuantikoan ari dira lanean. ordenagailuen prototipoak ordenagailu kuantiko nagusi bat sortzeko. International Business Machines Corp.-ek (IBM) esan du duela gutxi bere zientzialariek konputazio kuantikoko plataforma indartsu bat eraiki dutela eta eskuragarri egon daitekeela atzitzeko, baina ohartarazi du ez dela nahikoa zeregin gehienak egiteko. Diotenez, gaur egun garatzen ari den 50 qubit-ko prototipo batek gaur egun ordenagailu klasikoek dituzten arazo asko ebatzi ditzake eta etorkizunean 50-100 qubit-eko ordenagailuek hutsunea beteko lukete neurri handi batean, hau da, ehun qubit gutxiko ordenagailu kuantiko batek gai izango luke. Ezagutzen diren atomoak baino kalkulu gehiago egitea aldi berean unibertsoa. Errealistaz hitz eginez, ordenagailu kuantiko batek zeregin zailetan ordenagailu klasiko bat gaindi dezakeen bidea zailtasunez eta erronkez beteta dago. Duela gutxi Intelek deklaratu du konpainiaren 49 qubit-eko ordenagailu kuantiko berriak "gehientasun kuantiko" honetarako urrats bat suposatu zuela, duela 17 hilabete besterik ez 2 biteko qubit sistema frogatu zuen konpainiarentzat aurrerapen handi batean. Haien lehentasuna proiektua zabaltzen jarraitzea da, qubit kopurua zabaltzea mundu errealeko emaitzak eman ditzaketen ordenagailu kuantikoak sortzeko gakoa dela ulertuta.
Materiala funtsezkoa da ordenagailu kuantikoa eraikitzeko
Silizio materiala hamarkadetan zehar informatikaren zati bat izan da, bere gaitasun-multzo gakoak konputazio orokor (edo klasikorako) oso egokia delako. Dena den, konputazio kuantikoari dagokionez, silizioan oinarritutako soluzioak ez dira onartu nagusiki bi arrazoirengatik, batetik, zaila da silizioan fabrikatutako qubitak kontrolatzea, eta, bestetik, oraindik ez dago argi silizioko qubitak beste batzuk ere eskala daitezkeen. irtenbideak. Aurrerapen handi batean Intel duela gutxi garatu da1 'spin qubit' izenez ezagutzen den qubit mota berri bat, ohiko silizioan ekoizten dena. Spin qubitek elektronika erdieroaleen antza handia dute eta beren potentzia kuantikoa ematen dute siliziozko gailu batean elektroi bakar baten spina aprobetxatuz eta mikrouhin-pultsu txikiekin mugimendua kontrolatuz. Intel-ek norabide horretan mugiaraztea ekarri zuten bi abantaila nagusi hauek dira, lehenik eta behin, Intel konpainia gisa dagoeneko inbertitu handia duela silizioaren industrian eta, beraz, silizioan esperientzia egokia duela. Bigarrenik, siliziozko qubitak onuragarriagoak dira, ohiko qubitak baino txikiagoak direlako, eta koherentzia denbora luzeagoan edukitzea espero da. Honek berebiziko garrantzia du konputazio kuantikoko sistemak eskalatu behar direnean (adibidez, 100 qubitetik 200 qubitera pasatzea). Intel prototipo hau probatzen ari da eta konpainiak milaka qubit array txiki dituzten txipak ekoiztea espero du eta produkzio hori ontziratuta egiten denean oso ona izan daiteke ordenagailu kuantikoak handitzeko eta benetako joko-aldaketa bat izan daiteke.
urtean argitaratu berri den ikerketa batean Zientzia:, kristal fotonikoetarako diseinatu berri den eredu bat (hau da, txip fotoniko batean inplementatutako kristalen diseinua) Maryland-eko Unibertsitateko (AEB) talde batek garatu du, ordenagailu kuantikoak eskuragarriago egingo dituelakoan.2. Fotoi hauek ezagutzen den argi kopuru txikiena dira eta kristal hauek zuloekin finkatuta zeuden, eta horrek argia elkarrekintzan eragiten du. Zulo-eredu ezberdinek argia kristalean zehar okertu eta errebotatzeko modua aldatzen dute eta hemen mila zulo triangeluar egin ziren. Fotoi bakarren erabilera hori garrantzitsua da ordenagailu kuantikoak sortzeko prozesurako, ordenagailuek orduan izango baitute gaur egungo ordenagailuek egiteko gai ez diren kopuru handiak eta erreakzio kimikoak kalkulatzeko gaitasuna. Txiparen diseinuari esker, ordenagailu kuantikoen artean fotoien transferentzia galerarik gabe gertatzea posible da. Galera hau ordenagailu kuantikoentzat ere erronka handitzat hartu da eta, beraz, txip honek arazoa zaintzen du eta bide eraginkorra ahalbidetzen du. kuantikoaren sistema batetik bestera informazioa.
Etorkizuna
Ordenagailu kuantikoek kalkuluak ohiko superordenagailuetatik haratago egingo dituztela agintzen dute. Material berrien aurkikuntza iraultzeko ahalmena dute materiaren portaera maila atomikoraino simulatu ahal izateko. Adimen artifizialaren eta robotikaren itxaropena ere sortzen du datuak azkarrago eta eraginkorrago prozesatzen dituelako. Komertzialki bideragarria den konputazio kuantikoko sistema bat eskaintzea erakunde nagusietako edozeinek egin lezake datozen urteetan ikerketa hau oraindik irekita dagoenez eta guztientzako bidezko joko bat baita. Datozen bost-zazpi urteetan iragarpen handiak espero dira eta, hoberena, egiten ari diren aurrerapen sortarekin hitz eginda, ingeniaritza-arazoak konpondu behar dira eta milioi bat qubit edo gehiagoko ordenagailu kuantiko bat errealitatea izan beharko litzateke.
***
{Jatorrizko ikerketa-lana irakur dezakezu behean aipatzen den DOI estekan aipaturiko iturrien zerrendan}
Iturria (k)
1. Castelvecchi D. 2018. Silizioak konputazio kuantikoko lasterketan lekua irabazi du. Natura. 553 (7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Optika kuantiko topologikoko interfazea. Zientzia. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
