رایانه کوانتومی مبتنی بر نور از سریعترین ابر رایانه های کلاسیک برتر است


برای اولین بار ، کامپیوتر کوانتومی ، ساخته شده از فوتون ها – ذرات نور ، حتی از سریعترین ابر رایانه های کلاسیک نیز پیشی گرفت.

فیزیکدانان به سرپرستی چائو-یانگ لو و جیان-وی پان از دانشگاه علم و صنعت چین (USTC) در شانگهای با استفاده از رایانه کوانتومی خود به نام Jiŭzh ang ، تکنیکی را به نام تست بوزون گوسیان انجام دادند. نتیجه گزارش شده در ژورنال علوم پایه، 76 فوتون شناسایی شده وجود داشت – بسیار بالاتر و فراتر از سابقه قبلی پنج فوتون شناسایی شده و توانایی ابر رایانه های کلاسیک.

برخلاف یک رایانه سنتی ساخته شده از پردازنده های سیلیکون ، Jiŭzhāng یک تنظیم دسک تاپ پیچیده برای لیزرها ، آینه ها ، منشورها و آشکارسازهای فوتون است. این یک رایانه جهانی نیست که بتواند روزی ایمیل ارسال کند یا پرونده ذخیره کند ، اما توانایی محاسبات کوانتومی را نشان می دهد.

سال گذشته ، هنگامی که رایانه کوانتومی Sycamore خود تقریباً سه دقیقه طول کشید تا آنچه را که ابر رایانه طول می کشد به مدت سه روز (یا 10000 سال ، بسته به روش تخمین شما) ، گوگل مورد توجه قرار داد. در گزارش خود ، تیم USTC تخمین می زند که Sunway TaihuLight ، سومین ابر رایانه قدرتمند جهان ، با سرعتی خیره کننده 2.5 میلیارد سال ، طول خواهد کشید تا همان محاسبه Jiŭzhāng را انجام دهد.

این تنها دومین تظاهرات از قهرمانی کوانتوم، که اصطلاحی است برای توصیف نقطه ای که در آن یک کامپیوتر کوانتومی به طور تصاعدی از هر کلاسیک پیشی می گیرد ، و در واقع کاری انجام می شود که در غیر اینصورت اساساً محاسباتی غیرممکن است. این فقط اثبات اصل نیست؛ همچنین برخی نکات وجود دارد که نمونه برداری از بوزون گاوس ممکن است کاربردهای عملی داشته باشد ، مانند حل مسائل تخصصی در شیمی کوانتوم و ریاضیات. به طور گسترده تر ، توانایی کنترل فوتون ها به عنوان کیوبیت پیش شرط هر اینترنت کوانتومی در مقیاس بزرگ است. (کیوبیت بیتی کوانتومی شبیه بیت هایی است که برای نمایش اطلاعات در محاسبات کلاسیک استفاده می شود.)

اسکات آرونسون ، تئوریسین علوم کامپیوتر که اکنون در دانشگاه تگزاس در آستین است و به همراه دانشجو آن زمان الکس آرخیپوف ، برای اولین بار اصول نمونه برداری از بوزون را در سال 2011 بیان کردند ، گفت: “مشخص نبود که این اتفاق خواهد افتاد.” به گفته آرونسون ، آنها سالها در حدود سه تا پنج فوتون کشف شده باقی مانده اند که “یک راه بسیار طولانی” از پستانداران کوانتومی است. او می گوید: “مقیاس بندی دشوار است.” “روی آنها کلاه بگذارید.”

در چند سال گذشته ، محاسبات کوانتومی از مبهم شدن به یک شرکت چند میلیارد دلاری رسیده است که به دلیل تأثیر بالقوه آن بر امنیت ملی ، اقتصاد جهانی و مبانی فیزیک و علوم کامپیوتر شناخته شده است. در سال 2019 ، قانون ابتکار ملی کوانتوم آمریکا برای سرمایه گذاری بیش از 1.2 میلیارد دلار در فناوری کوانتوم طی 10 سال آینده امضا شد. این رشته همچنین با مهلت های غیرواقعی و ادعاهای بمب گذاری در مورد رایانه های کوانتومی که رایانه های کلاسیک را کاملاً منسوخ می کند ، سر و صدای زیادی ایجاد کرد.

این آخرین نمایش پتانسیل محاسبات کوانتومی توسط گروه USTC بسیار حیاتی است زیرا با رویکرد گوگل تفاوت فاحشی دارد. چنار از بخیه های فلزی ابررسانا برای تشکیل کیوبیت ها استفاده می کند. در Jiŭzhŭng فوتون ها خودشان کیوبیت هستند. تأیید مستقل مبنی بر اینکه اصول محاسبات کوانتومی می تواند به تقدم سخت افزار کاملاً متفاوت منجر شود “به ما اطمینان می دهد که در طولانی مدت ، در نهایت ، شبیه سازهای کوانتومی مفید و یک رایانه کوانتومی مقاوم در برابر خطا امکان پذیر خواهد شد.”

تست نور

چرا رایانه های کوانتومی پتانسیل عظیمی دارند؟ آزمایش معروف شکاف مضاعف را در نظر بگیرید ، که در آن یک فوتون به دو سد A و B به سدی شلیک می شود. فوتون از A یا B عبور نمی کند ، در عوض ، آزمایش دو شکاف نشان می دهد که فوتون در یک “برهم نهی” یا ترکیبی از امکانات وجود دارد. از هر دو A عبور کند و ب. از لحاظ تئوری ، بهره برداری از خصوصیات کوانتومی به عنوان یک برهم نهی به رایانه های کوانتومی این امکان را می دهد تا هنگام اعمال برخی مشکلات خاص ، شتاب های نمایی را نسبت به نمونه های کلاسیک خود بدست آورند.

فیزیکدانان در اوایل سال 2000 علاقه مند به بهره برداری از خصوصیات کوانتومی فوتون ها برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی بودند ، تا حدی به این دلیل که فوتون ها می توانند در دمای اتاق به عنوان مکعب عمل کنند ، بنابراین نیازی به کار گران قیمت سیستم خنک کننده سیستم به چند کیلوین نیست ( در مورد -455 درجه فارنهایت) مانند سایر طرحهای محاسبات کوانتومی. اما به سرعت مشخص شد که ساخت یک کامپیوتر کوانتومی فوتونی جهانی غیرممکن است. به میلیون ها لیزر و سایر وسایل نوری برای ساخت حتی یک رایانه کوانتومی فعال نیاز است. در نتیجه ، پستانداران کوانتومی با فوتون ها غیرقابل دستیابی به نظر می رسید.

سپس ، در سال 2011 ، آرونسون و آرخیپوف مفهوم نمونه برداری از بوزون را ارائه دادند ، که نشان می دهد چگونه می توان این کار را با یک کامپیوتر کوانتومی محدود که فقط از چند لیزر ، آینه ، منشور و آشکارسازهای فوتون ساخته شده است ، انجام داد. ناگهان ، رایانه های کوانتومی فوتونی راهی برای نشان دادن سرعت بالای آنها نسبت به رایانه های کلاسیک پیدا کردند.

تنظیمات نمونه برداری از بوزون ها شبیه اسباب بازی به نام ماشین لوبیا است که به راحتی با یک تخته گیره پوشانده شده با یک ورق شیشه شفاف پوشانده می شود. توپ ها در ردیف گیره های بالا قرار می گیرند. در مسیر پایین ، آنها از روی گیره ها برمی خیزند و از هم جدا می شوند تا اینکه در شکاف های پایین قرار بگیرند. شبیه سازی توزیع توپ در شکافها در یک کامپیوتر کلاسیک نسبتاً آسان است.

به جای توپ ، در نمونه گیری بوزون از فوتون استفاده می شود و گیره ها را با آینه و منشور جایگزین می کند. فوتون های لیزر از آینه ها و از طریق منشورها برمی خیزند تا جایی که در یک “شکاف” قرار گیرند که باید پیدا شود. برخلاف توپهای کلاسیک ، خصوصیات کوانتومی فوتون منجر به افزایش تصاعدی توزیعهای احتمالی می شود.

مشکل در نمونه برداری از بوزون اساساً “توزیع فوتون ها چیست؟” نمونه گیری از Boson یک کامپیوتر کوانتومی است که خود را حل می کند. بودن توزیع فوتون ها. در همین حال ، کامپیوتر کلاسیک باید توزیع فوتون ها را با محاسبه ماتریس “دائمی” درک کند. برای ورودی دو فوتونی ، این فقط یک محاسبه کوتاه با آرایه ای از دو در دو است. اما با افزایش تعداد ورودی ها و آشکارسازهای فوتون ، اندازه آرایه افزایش می یابد و به طور تصاعدی مشکل محاسباتی مسئله را افزایش می دهد.

سال گذشته ، گروه USTC نمونه برداری از بوزون ها را با 14 فوتون شناسایی شده نشان داد – محاسبه آن بر روی لپ تاپ دشوار است ، اما در یک ابر رایانه آسان است. برای مقیاس بندی تا قهرمانی کوانتوم ، آنها از یک پروتکل کمی متفاوت استفاده کردند ، از نمونه بوزون گوسی.

به گفته کریستین سیلبرهورن ، متخصص اپتیک کوانتوم در دانشگاه پادربورن آلمان و یکی از توسعه دهندگان نمونه برداری از بوزون گاوسی ، این روش برای جلوگیری از تک فوتون های غیر قابل اعتماد استفاده شده در نمونه برداری از بوزون آرونسون و آرخیپو ایجاد شده است.

او می گوید: “من واقعاً می خواستم این کار را انجام دهم.” “این طرحی است که مختص کاری است که می توانید به صورت آزمایشی انجام دهید.”

با این حال ، او اذعان می کند که راه اندازی USTC بسیار پیچیده است. Jiŭzhāng با لیزری شروع می شود که شکسته می شود و به 25 کریستال ساخته شده از تیتانیل فسفات پتاسیم برخورد می کند. پس از ضرب و شتم هر کریستال ، با اطمینان دو فوتون را در جهت مخالف از هم می پاشد. سپس فوتون ها از طریق 100 ورودی ارسال می شوند و در آنجا از طریق مسیری که از 300 منشور و 75 آینه ساخته شده است به رقابت می پردازند. سرانجام ، فوتون ها در 100 اسلات قرار می گیرند و در آنجا شناسایی می شوند. به طور متوسط ​​، بیش از 200 ثانیه مسافت پیموده شده ، تیم USTC حدود 43 فوتون در هر مسافت پیموده شده را تشخیص می دهد. اما در یک زمان ، آنها 76 فوتون را مشاهده کردند – بیش از اندازه کافی برای توجیه ادعای برتری کوانتومی.

محاسبه اینکه برای حل یک توزیع با شناسایی 76 فوتون ، یک ابر رایانه چقدر طول می کشد دشوار است – عمدتا به این دلیل که صرف تأسیس 2.5 میلیارد سال در کنترل ابر رایانه کاملاً امکان پذیر نیست. در عوض ، محققان از زمان لازم برای محاسبه کلاسیک تعداد کمتری از فوتون های شناسایی شده برون یابی کردند. در بهترین حالت ، حل 50 فوتون ، به گفته محققان ، یک ابر رایانه دو روز به طول می انجامد که بسیار کندتر از زمان اجرای 200 ثانیه ای Jiŭzhāng است.

طرح های نمونه برداری بوزون در طول سالها در تعداد کمی فوتون ضعیف می شوند زیرا بزرگنمایی آنها بسیار دشوار است. به منظور حفظ آرایش کوانتومی حساس ، فوتون ها باید غیرقابل تشخیص باشند. یک مسابقه اسب سواری را تصور کنید که در آن تمام اسب ها باید از دروازه شروع به کار آزاد شوند دقیقا در همان زمان و در همان زمان به پایان برسد. فوتون ها متاسفانه بسیار قابل اعتمادتر از اسب نیستند.

همانطور که فوتونها در جیژژنگ در مسیری 22 متری حرکت می کنند ، موقعیت آنها نمی تواند بیش از 25 نانومتر متفاوت باشد. لو گفت ، این معادل 100 اسب است که 100 کیلومتر را پیموده و از خط پایان بیش از یک موی پهن بین آنها عبور می کند.

تست کوانتوم

رایانه کوانتومی USTC به نام Jiŭzhāng نامگذاری شده است Jiŭzhŭng Suànshù ، یا “نه فصل هنر ریاضی” ، متنی باستانی چینی با اثری قابل مقایسه با اقلیدس عناصر.

محاسبات کوانتومی نیز برگشت های زیادی دارند. به گفته لو ، پیشی گرفتن از رایانه های کلاسیک یک معامله یک بار نیست ، بلکه در عوض یک رقابت دائمی بر سر این است که آیا الگوریتم های کلاسیک و رایانه ها می توانند از پس آن برآیند یا اینکه رایانه های کوانتومی مزیتی را که به دست آورده اند حفظ خواهند کرد.

بعید است که چیزها ساکن باشند. در اواخر ماه اکتبر ، محققان در Xanadu Startup Quantum Computing کانادا الگوریتمی را کشف کردند که به صورت درجه بندی زمان برای شبیه سازی کلاسیک را برای برخی از آزمایشات نمونه بوزون کاهش می دهد. به عبارت دیگر ، اگر 50 فوتون شناسایی شده برای یک مزیت کوانتومی کافی بود ، اکنون به 100 مورد نیاز خواهید داشت.

برای دانشمندان نظری کامپیوتر مانند آرونسون ، این نتیجه هیجان انگیز است زیرا به ارائه شواهد اضافی علیه کمک می کند یک تز گسترده شده توسط Church-Turing ، که استدلال می کند هر سیستم فیزیکی می تواند به طور م effectivelyثر بر روی یک رایانه کلاسیک شبیه سازی شود.

آرونسون می گوید: “در گسترده ترین سطح ، اگر ما جهان را به عنوان یک کامپیوتر در نظر بگیریم ، پس چه نوع رایانه ای وجود دارد؟” آیا این یک کامپیوتر کلاسیک است؟ یا کامپیوتر کوانتومی است؟ “

در حال حاضر ، جهان ، مانند رایانه هایی که می خواهیم بسازیم ، سرسختانه کوانتوم به نظر می رسند.




منبع: khabar-nab.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*