السباق على البتات الكمومية : لن يصبح الكمبيوتر الكمومي حقيقة واقعة إلا بعد تطوير بتات كمومية عالية الأداء وسريعة وقوية وواسعة النطاق قابلة للتكامل. يتنافس العديد من المرشحين. ناهيك عن الغرباء الذين خرجوا من الشيطان الفافرت.
الرقم القياسي الحالي هو … 53 ويعود تاريخه إلى أكتوبر 2019. لا توجد درجة حرارة قصوى في البر الرئيسي لفرنسا ولا سرعة (بالعقد) لوح ركوب الأمواج ، نحن نتحدث عن الكيوبتات هنا. بتعبير أدق ، هذا هو عدد الكيوبتات التي تزود الكمبيوتر الكمي والتي ادعت Google أنها أجرت عملية حسابية أسرع بكثير من أفضل أجهزة الكمبيوتر العملاقة التقليدية. هذا الإعلان الذي تم التنازع عليه بشأن عدة نقاط ، يكشف مع ذلك عن سباق محموم متنازع عليه من قبل الأكاديميين واللاعبين الخاصين ، من الشركات متعددة الجنسيات المثبتة إلى الشركة الناشئة.
جدول المحتويات
لكن ماذا نعني بالكيوبت؟
لكن ماذا نعني بالكيوبت؟ من الناحية التخطيطية ، فهو المكافئ الكمي للبت الكلاسيكي. في حين أن الأخير يمكن أن يأخذ قيمة 0 أو 1 ، فإن الكيوبت ، الذي يلعب بالخصائص الغريبة للعالم الكمي ، هو تراكب من 0 و 1. يمكن للكيوبت أن يمثل حالتين ، واثنان من البتات يقابلان أربعة … و وهكذا. ، N كيوبتات تعادل حالات 2N ، أو 53 كيوبت من كمبيوتر Google ، أكثر من 9 × 10 15 حالة 0 و 1!
إقرأ أيضا:أخطر المهن في العالميضاف إلى هذا التراكب خاصية أساسية أخرى لأجهزة الكمبيوتر الكمومية المحتملة ، التشابك ، وهي ظاهرة ترتبط فيها الحالات الكمية لكيانين أو أكثر ، مثل الكيوبتات ، وبالتالي تعتمد على بعضها البعض. يسمح التشابك والتراكب بالتوازي الهائل في معالجة المعلومات ، وهو مفتاح قوة الكمبيوتر الكمومي. ومع ذلك ، هناك مشكلة واحدة: فك الترابط. تؤدي التفاعلات مع البيئة إلى فقدان النظام الكمي لخصائصه ، خاصةً أنه يحتوي على كيوبتات. إنه ضدها أن السباق على الكمبيوتر الكمومي قد انخرط لمدة عشرين عامًا. في تلخيص،
السباق على البتات الكمومية : الكيوبت المثالي
منذ بداية السباق للحصول على | 0> + b | 1> المعالجات الكمومية ، تم وضع المعايير التي يجب أن يفي بها كيوبت “جيد” بسرعة. يجب أن تتكون من مضاعفة الحالات الكمية | 0> و | 1> وأن تكون قابلة للتهيئة بأمانة.
بالإضافة إلى ذلك ، يجب تزويده بأمر من أجل تحقيق (في الوقت المشار إليه T1) أي بوابة بها كيوبت (التناظرية الكمومية للبوابة المنطقية NOT التي تحول 0 إلى 1 والعكس صحيح). من الأفضل فهم هذه البوابات باستخدام التمثيل الهندسي لمجموعة الحالات الكمومية a | 0> + b | 1> (a و b أرقام معقدة) يمكن الوصول إليها من قبل qubit: كرة بلوخ. في هذا التمثيل ، الحالة عبارة عن سهم يشير إلى سطح الكرة (باللون الأرجواني) ، والحالتان | 0> و | 1> عند القطبين .
إقرأ أيضا:الأسرار السبعة للثراءبينما ينتج عن البوابة دوران لحالة زاوية معينة حولها محور (باللون الوردي والأرجواني). يجب أن يكون الكيوبت المثالي أيضًا قادرًا على اقتران كيوبت آخر لإنتاج بوابة منطقية ثنائية البت (في الوقت المشار إليه T2). يجب أن يكون هذا الباب “عالميًا” ، بمعنى أن أي خوارزمية كمومية يجب أن تكون قابلة للتحلل في هذه البوابة وفي بوابات ذات بت واحد. يمكن دمج الكيوبت المثالي بأعداد كبيرة في المعالج.
يجب الحفاظ على التماسك الكمي للتراكبات في حالتيها لفترة زمنية
يجب الحفاظ على التماسك الكمي للتراكبات في حالتيها لفترة زمنية أكبر بكثير من T2 مرات T1 و T2 المرتبطة بنوعين من البوابات. تم تجهيز الكيوبت المثالي أخيرًا بجهاز يسمح بقراءة حالته “في لقطة واحدة” بأمانة. ماذا يعني ذلك ؟
في الخطوة الأولى من القياس ، ينتهي الكيوبت مبدئيًا في حالة أ | 0> + ب | 1> دائمًا إما بالحالة | 0> أو | 1> (نقول إنه “مُسقط”) ، مع الاحتمالات ذات الصلة | أ | 2 و | ب | 2. يقوم الكاشف بعد ذلك باستخراج المعلومات من الكيوبت لتحديد هذه الحالة النهائية والإشارة إلى 0 أو 1. عندما يكون المجرب حساسًا بدرجة كافية ليتمكن من قراءة النتيجة بشكل لا لبس فيه ، يُقال أن القياس “في طلقة واحدة”. في الحالة المعاكسة ، يجب تحضير نفس الحالة الأولية وقياسها لعدد كبير من المرات ، ثم يتم حساب متوسط القياسات. لا تكون قراءة اللقطة الواحدة دقيقة تمامًا أبدًا ، لأن الكاشف يشير أحيانًا إلى الصفر عند إسقاط الكيوبت على | 1> والعكس صحيح. ثم يتسم بالإخلاص ، أي احتمالية قراءة نتيجة صحيحة. في الحالة المثالية ، يكون الولاء 100٪.
إقرأ أيضا:فوائد الملحالسباق على البتات الكمومية : العدد الأقصى للكيوبتات الخاضعة للرقابة ،
اليوم ، العدد الأقصى للكيوبتات الخاضعة للرقابة ، كما رأينا ، هو خمسون وعدد العمليات الكمومية التي يتم إجراؤها بنفس الترتيب. هذا كافٍ بالفعل لاستكشاف مساحة كبيرة من الحالات الممكنة في حدود ما يمكن محاكاته على أفضل الحواسيب الفائقة الكلاسيكية. تتقاطع منحنيات الأداء والبحث في تصميم الكيوبت مكثف. تم اختبار العديد من المرشحين: الذرات والأيونات والجزيئات والإلكترونات والفوتونات والدوائر فائقة التوصيل. أي منهم يقدم الاحتمالات الأكثر إثارة للاهتمام؟
نوعان من أجهزة الكمبيوتر
للإجابة ، من الضروري التمييز بين نوعين من الآلات الكمومية: تلك المجهزة بمعالجات كمومية تتطلب تصحيح أكواد الأخطاء وتلك التي يكون الحساب ممكنًا لها حتى مع انخفاض معدل الأخطاء. في الحالة الأولى ، نتحدث عن LSQ ، لأجهزة الكمبيوتر الكمومية واسعة النطاق ، والتي نسعى من أجلها للتغلب على الأخطاء المتعلقة بفك الترابط ، لكن الباحثين أظهروا أن الأمر سيستغرق 1000 أو حتى 10000 كيوبت فيزيائي للقيام بذلك. كل كيوبت قابلة للاستخدام في الحسابات! لذلك من الضروري بذل جهد كبير لحل مشكلة التحكم التي تطرحها المعالجات الكمومية بعدد كبير من البتات.
في الحالة الثانية ، نتحدث عن NISQ ، لأجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات الحجم المتوسط الصاخب ، أي أجهزة الكمبيوتر الكمومية غير الكاملة ذات الحجم المتوسط. هذه المرة ، ستكون الأولوية هي فهم أعمق لظروف تشغيل الكيوبت لتقليل الأخطاء أثناء العمليات الكمية.
السباق على البتات الكمومية : هذان النهجان مكملان ويتغذيان على بعضهما البعض مع تطور المعالجات الكمومية
هذان النهجان مكملان ويتغذيان على بعضهما البعض مع تطور المعالجات الكمومية. كلاهما يدعو إلى جهد متعدد التخصصات يجمع بين العلوم الفيزيائية والتكنولوجية والحاسوبية. يفترض تنوع وجهات النظر الحسابية شروطاً مسبقة مختلفة على مستوى المنصات التجريبية ، مما قد يؤدي إلى إعادة النظر في الفكرة التي بموجبها يمكن أن تكون منصة واحدة عالمية. لنرى بشكل أكثر وضوحًا ، دعنا نضع نظرة عامة على المنصات المختلفة في السباق ، ونقاط قوتها وحدودها ، من أجل فهم نوع الحساب الذي يمكن أن يكون له دور يلعبه على المدى الطويل إلى حد ما.
تطوير الكمبيوتر الكمومي قراءة فردية للكيوبتات
يتطلب تطوير الكمبيوتر الكمومي قراءة فردية للكيوبتات ، والتحكم فيها بالإضافة إلى تفاعلها ، في جهاز يحتمل أن يكون قابلاً للتكامل على نطاق أوسع. من بين الأنظمة التي لا حصر لها الناتجة عن الفيزياء أو الكيمياء والتي تحكمها الخصائص الكمومية ، نادرًا ما تكون تلك التي حققت هذه الأهداف بدقة كافية ، وهي التي سنهتم بها هنا. لاحظ أن هذا الاختيار صالح فقط في لحظة معينة ، اليوم ، ولا يزال يعتمد على معرفتنا ، التي لا تزال قيد الإنشاء ، على الكمبيوتر الكمومي وقدرتنا على التحكم في الأنظمة الكمومية. قد يؤدي نفس التمرين في بضع سنوات إلى قائمة مختلفة.
تختلف الكيوبتات المختارة بشكل ملحوظ من حيث الأداء والهندسة ، حيث ترتبط العديد من الخصائص بالمعلمات الفيزيائية والتكنولوجية ، مثل سرعة وقوة العمليات الكمية ، والحجم الفعال للكيوبت ، وتغير معلمات التشغيل للكيوبت ، إلخ. . ولا شيء لا مفر منه في الوقت الحالي في ضوء قيود الكمبيوتر الكمومي.
السباق على البتات الكمومية : طريق الموصل الفائق
من الواضح أن سرعة التشغيل مهمة ، لأنها تحدد سرعة المعالج الكمي. إذا أصبح العامل الرئيسي ، فسيكون الخيار الأكثر حكمة واضحًا اليوم: الرهان على نوع الكيوبتات فائقة التوصيل ، أي أنها خالية من المقاومة الكهربائية عند درجة حرارة منخفضة. بدأت دراسة هذه الأجسام منذ أكثر من 40 عامًا عندما أظهرت تجارب مختلفة السلوك الكمي العالمي لأبسط دائرة فائقة التوصيل: تقاطع جوزيفسون. يتكون هذا العنصر من قطبين كهربائيين فائقين التوصيل مفصولين عن طريق عازل كهربائي رفيع يمكن من خلاله تمرير أزواج من الإلكترونات (المعروفة باسم كوبر) عن طريق التأثير النفقي. عند تبريدها إلى درجات حرارة تبلغ حوالي 20 مللي كلفن ، تتصرف دوائر تقاطع جوزيفسون مثل الذرات الاصطناعية مع حالتين محتملتين ،
تنتج سرعة تشغيل الكيوبتات فائقة التوصيل من حجمها. على عكس الأنظمة الأخرى ، فهي تتكون من عدد كبير من الجسيمات الأولية ، الإلكترونات ، التي تتحرك دون تبديد الطاقة في دوائر تبلغ عدة مئات من الميكرونات. إن حجم الكيوبتات فائقة التوصيل يجعل من الممكن ربطها جيدًا بالمجسات والإثارة اللازمة للتحكم فيها وتسمح بوقت معالجة أقل .بكثير من ميكروثانية. في الأصل ، بدت الخصائص العيانية مانعة لتطوير أنظمة شديدة المقاومة لفك الترابط. ومع ذلك ، فإن الجهود المبذولة لفهم عزلها عن البيئة وتحسينها قد جعلت الدوائر فائقة التوصيل جيدة .مثل الأنظمة الأخرى القائمة على الجسيمات الأولية الفردية ،
تم تنفيذ العمل في البداية في المختبرات الأكاديمية
تنفيذ العمل في البداية في المختبرات الأكاديمية
تم تنفيذ العمل في البداية في المختبرات الأكاديمية ، ثم في الآونة الأخيرة في .مختبرات البحث والتطوير للمجموعات الصناعية الكبيرة أو في الشركات الناشئة. هذه أيضًا هي التقنية التي اعتمدتها Google ، والتي تثبت .أن التلاعبات المعقدة والمتزامنة على عدة عشرات من الكيوبتات فائقة التوصيل أصبحت ممكنة الآن. بالإضافة إلى ذلك ، تم تنفيذ أول بروتوكولات تصحيح الخطأ الكمومي في هذه الأنظمة.
هذا النوع من الكيوبت هو النظام الأكثر تقدمًا في سوق الآلات الكمومية. كما أن لها ميزة في السباق للأعداد الكبيرة التي يفرضها مسار كود تصحيح الأخطاء ، بالاعتماد على تقنيات تصنيع مثبتة جيدًا. ومع ذلك ، فإن التحديات كثيرة. وبالتالي ، على المدى القصير ، تظل التوقعات من حيث دقة العملية على نطاق أوسع سؤالًا .فتوحًا وليس من الواضح بعد ما إذا كانت هذه الأنظمة العيانية لن تعاني من قيود جوهرية. ويرتبط الأخير بشكل خاص بدرجة حرارة التشغيل التي تكون عند 20 ملي كلفن باردة قدر الإمكان. ستصبح القيود المتعلقة بتبديد الطاقة الناتجة عن إشارات التحكم أكثر أهمية مع زيادة عدد البتات. على نطاق واسع جدًا ،
شيكل ومخاطر
في طريق الكمبيوتر الكمومي غير الكامل (NISQ) ، فإن دقة العمليات على الكيوبتات هي معلمة مهمة. في الواقع ، كلما قل الخطأ ، زادت قدرة الأنظمة التي لا تحتوي على تصحيح للأخطاء على حل المشكلات الحسابية بعدد أقل من الكيوبتات. سيعتمد الاختيار بعد ذلك على الكيوبتات المستندة إلى الجسيمات الأولية ، وبشكل أكثر تحديدًا تلك الموجودة في بيئة فائقة النظافة مثل الأيونات أو الذرات المحايدة المحتجزة في الفراغ في الشبكات الضوئية. الرقم القياسي الحالي هو 20 ذرة محاصرة متشابكة.
