Kuantum sıçraması: IBM bilim adamları, pratik, ölçeklenebilir bir kuantum bilgisayarı için temelleri attılar
Kuantum hesaplama
Dario Borghino30 Nisan 2015
2 fotoğraf
İlk çalışan kuantum bilgisayarı, IBM'deki araştırmacıların iki önemli ilerlemesi sayesinde artık gerçekliğe daha yakın olabilir (Fotoğraf: IBM).IBM bilim adamları, pratik bir kuantum bilgisayarının yaratılmasına yönelik iki önemli gelişmeyi açıkladılar: kuantum hatalarını tespit etmek ve düzeltmek için etkili bir yol ve çok sayıda dolaşmış kuantum bitini barındırabilen bir silikon çipin tasarımı.
Kuantum bilgisayarların gücü
Klasik bilgisayarlardaki transistörler sadece şu ana kadar küçültülebilir. Mevcut transistör jenerasyonu 14 nanometre büyüklüğündedir, bu da sadece otuz silikon atomunun transistörün "kaynağı " ile "tahliye, " elektronik anahtarın iki ucu arasına sığması anlamına gelir. Bu sayı sadece yaklaşık dört veya beş silisyum atomuna indirildikten sonra, kuantum mekaniği etkilerinin ortaya çıkardığı belirsizlik, böyle bir düğmenin düzgün çalışması için imkansız hale gelecektir. Elektronlar kendiliğinden ve rastgele bir şekilde diğerinin bir ucundan beklenmedik şekillerde sıçrayacak ve anahtar kapalı olduğunda bile bir akım yaratacaktır.
1981'de Richard Feynmann tarafından geliştirilen kuantum bilgisayarların arkasındaki fikir, onları bir engel olarak görmekten ziyade kuantum etkilerden yararlanmaktır. Bu daha gelişmiş bir transistörün oluşturulmasıyla değil, daha çok kuantum bilgisinin daha büyük potansiyelinin kullanılmasıyla yapılır.
Kuantum bir bit veya kubit hesaplamanın garip ve harika kuantum dünyasında, aynı anda iki değer (0 ve 1) varsayabilir. İki veya daha fazla sayıda qutite özel bir "dolaşık" durumunda olduğunda, bu özellik uzar ve qubitlerin gücü katlanarak büyür. On tamamen dolaşmış qubits, 1.024 klasik bit kadar bilgi depolayabilecektir; 33 qubit bir gigabayt saklayabilir; ve 300 tamamen dolaşmış qubits, evrendeki atomlar olduğu kadar çok sayıda klasik biti saklardı.
Bununla birlikte, önemli olan, qubit'lerin içerdiği bilgilerin katlanarak büyür olmasına rağmen, biz yine de, qubits sayısının bir polinom fonksiyonu olan birkaç işlemi kullanarak onu manipüle edebiliyoruz. Başka bir deyişle, üstel hızlar, çok basit bir anlamda.
Bir kuantum bilgisayar, herhangi bir algoritma için evrensel olarak daha hızlı olmayacaktır, ancak büyük verileri aramak ve değiştirmek, veri şifrelemesi yapmak, daha iyi ilaçları tasarlamak için protein katlamasını analiz etmek, erken evreni simüle etmek ve çok daha doğru hava tahmini sağlamak için üstel hızlanmalar gösterecektir. Diğer pek çok şey arasında.
Qubits çok titiz
Pratik bir kuantum bilgisayarı yaratmadaki başarımız büyük ölçüde tüm qubit'leri çok hassas dolaşık halde tutabilmemize ve hataları doğru ve güvenilir bir şekilde düzeltmemize bağlıdır.
İnternetten indirilen veya sabit disklerimizde saklanan veriler, bir bit hatalı şekilde 1'den 0'a veya tam tersi olarak değiştiğinde oluşan "bit çevirmeler" i algılayan ve düzelten algoritmalardan geçer.
Klasik hesaplamalarda hatalar çok nadir görülür, ancak bir kuantum bilgisayar için temel sorunlardır. Dolaşmış qubitler çok daha hassastır ve sıcaklıktaki küçük değişikliklerden ve elektromanyetik radyasyondan ciddi şekilde etkilenebilir. Kuantum bitleri de bit çevirmelere tabidir, ancak bu durumların, durumların birbirine karıştığı yolu etkileyen bir "faz çevirme" olarak adlandırılan olası hataların bir başka boyutunu eklerler. İşleri daha da kötüye yapmak için, onu düzeltmek için bir qubit okuma eylemi, kuantum halini 0 ya da 1'e indirir.
Şimdiye kadar, araştırmacılar ya iki dönüşümü ya da faz çevirme noktalarını ele alabilmişlerdi, ancak hiçbir zaman aynı anda olmadı.
Hataları düzeltmek
Kuantum hesaplama dünyası için çok önemli bir gelişme olan IBM araştırmacıları, artık her iki türdeki kuantum hatasını aynı anda tespit etmenin bir yolunu bulmuşlar ve oluşturdukları gerçek dört-qubit çip üzerinde ilerlemelerini göstermişlerdir.
Devre, kabaca dörtte biri (6 mm) büyüklüğünde olan bir çip üzerindeki dört süper iletken kuwetten oluşan bir kare kafes dayanmaktadır. Qubit'ler, gerçek bilgiyi taşıyan iki veri qutitesine, ve bağımsız iki (“dolaşık değil”) iki bağımsız diziye ayrılır ve iki veri quatt'ında hata kontrolünü gerçekleştirir.
Bir matriste dizilen quitlerin çok iyi bir nedeni var. Qubit'lerin yok edilmeden okunabilmesi için, araştırmacılar kuantum bilgisini çoklu qubitlere dağıtan bir hata düzeltme tekniğini kabul ettiler, fakat - en önemlisi - sadece en yakın komşularına.
Önceki hata düzeltme teknikleri, bir dizideki qubit'leri oluşturdu ve bu nedenle, her iki uçta da sadece bit çevirmeler veya faz döndürmeleri için düzeltme yapabilirdi. Matris düzeni, qubit'lerin daha fazla komşusuna sahip olmasını sağlar, bu da her iki tipte hata düzeltmesinin eşzamanlı olarak gerçekleşebileceği anlamına gelir.
Sıradaki ne?
Kare çip, standart silikon üretim teknikleri kullanılarak tasarlandı ve üretildi ve araştırmacılar, daha fazla sayıda tutamı işleyen çipin ölçeklenmiş versiyonunda bile etkili hata düzeltme gösterebileceklerini söylediler.
Eğer bu doğruysa, o zaman pratik bir kuantum bilgisayara olan ana engel, IBM tekniğinin etkili olabilmesi için yeterince düşük hata oranlarına sahip süper iletken bitleri güvenilir bir şekilde üretmek olabilir.
Bu avans, günümüzün Science Communications dergisinde yayınlanmaktadır.
Kaynak: IBM
İlk çalışan kuantum bilgisayarı, IBM'deki araştırmacıların iki önemli ilerlemesi sayesinde artık gerçekliğe daha yakın olabilir (Fotoğraf: IBM).
Çip, standart endüstri yöntemleri ile üretilen ve ölçeklendirilebilir silikondan üretilmiştir (Fotoğraf: IBM)