تراشه کوانتومی برای انجام وظیفه ای که یک ابررایانه 9,000 سال صرف هوش داده پلاتو بلاک چین می کند، میکروثانیه طول می کشد. جستجوی عمودی Ai.

تراشه کوانتومی برای انجام کاری که یک ابررایانه 9,000 سال روی آن صرف می کند، میکروثانیه طول می کشد.

تمبر زمان: 7 ژوئن 2022 ساعت 10:00 صبح
محاسبات مبتنی بر نور فوتون های مزیت کوانتومی

آیا کامپیوترهای کوانتومی بیش از حد هایپ شده اند؟

یک مطالعه جدید in طبیعت می گوید نه یک دستگاه کوانتومی هوشمندانه طراحی شده توسط Xanadu، شرکتی مستقر در تورنتو، کانادا، کامپیوترهای معمولی را در یک کار معیاری که در غیر این صورت بیش از 9,000 سال طول می‌کشید، از بین برد.

برای تراشه کوانتومی Borealis، پاسخ‌ها در عرض 36 بود میکروثانیه صورت گرفت.

دستاورد زانادو آخرین دستاوردی است که قدرت کوانتوم را نشان می دهد محاسبه نسبت به کامپیوترهای معمولی - یک ایده به ظاهر ساده که مزیت کوانتومی نامیده می شود.

از لحاظ نظری، این مفهوم منطقی است. برخلاف رایانه‌های معمولی که به ترتیب با استفاده از بیت‌های باینری (0 یا 1) محاسبه می‌کنند، دستگاه‌های کوانتومی به عجیب و غریب دنیای کوانتومی دست می‌زنند، جایی که 0 و 1 هر دو می‌توانند همزمان با احتمال‌های متفاوت وجود داشته باشند. داده‌ها در کیوبیت پردازش می‌شوند، یک واحد غیرتعهدی که به لطف فیزیک منحصربه‌فردش به طور همزمان چندین محاسبات را انجام می‌دهد.

ترجمه؟ یک کامپیوتر کوانتومی مانند یک چند وظیفه ای بسیار کارآمد است، در حالی که کامپیوترهای معمولی بسیار خطی تر هستند. وقتی با همین مشکل مواجه می‌شویم، یک کامپیوتر کوانتومی باید بتواند هر کدام را از بین ببرد ابر کامپیوتر در هر مشکلی از نظر سرعت و کارایی. این ایده که «برتری کوانتومی» نامیده می‌شود، نیروی محرکه‌ای برای ایجاد نسل جدیدی از رایانه‌ها بوده است که کاملاً با هر چیزی که قبلا ساخته شده بود بیگانه است.

مشکل؟ اثبات برتری کوانتومی بسیار دشوار است. از آنجایی که دستگاه‌های کوانتومی به طور فزاینده‌ای آزمایشگاه را ترک می‌کنند تا مشکلات دنیای واقعی بیشتری را حل کنند، دانشمندان از یک معیار میانی استقبال می‌کنند: مزیت کوانتومی، که این ایده است که یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند یک کامپیوتر معمولی را فقط در یک کار - هر کار، شکست دهد.

در سال 2019 ، گوگل اینترنت را شکست نمایش اولین نمونه از یک کامپیوتر کوانتومی، Sycamore، حل یک مسئله محاسباتی تنها در 200 ثانیه با 54 کیوبیت - در مقایسه با تخمین یک ابررایانه معمولی 10,000 ساله. یک تیم چینی به زودی با دومین نمایش جذاب از مزیت محاسباتی کوانتومی همراه شد، با این ماشین پاسخ‌هایی که برای یک ابررایانه بیش از دو میلیارد سال زمان نیاز دارد.

با این حال، یک سوال حیاتی باقی می‌ماند: آیا هیچ یک از این دستگاه‌های کوانتومی برای استفاده عملی آماده هستند؟

یک بازطراحی شدید

فراموش كردن اينكه كامپيوترها به فيزيك متكي هستند آسان است. به عنوان مثال، سیستم فعلی ما به آن ضربه می زند الکترون و هوشمندانه طراحی شده است تراشه های برای انجام وظایف خود کامپیوترهای کوانتومی مشابه هستند، اما آنها بر فیزیک ذرات جایگزین متکی هستند. نسل های اولیه ماشین های کوانتومی مانند لوسترهای ظریف و درخشان به نظر می رسید. اگرچه در مقایسه با یک تراشه گوشی هوشمند جمع و جور بسیار زرق و برق دار هستند، اما کاملاً غیر عملی هستند. این سخت افزار اغلب به آب و هوای کاملاً کنترل شده - برای مثال دمای نزدیک به صفر مطلق - برای کاهش تداخل و افزایش کارایی رایانه نیاز دارد.

مفهوم اصلی محاسبات کوانتومی یکسان است: کیوبیت ها داده ها را در برهم نهی پردازش می کنند، یک خصلت فیزیک کوانتومی که به آنها اجازه می دهد 0، 1 یا هر دو را همزمان رمزگذاری کنند. سخت افزاری که از این ایده پشتیبانی می کند بسیار متفاوت است.

برای مثال، Sycamore گوگل از حلقه‌های فلزی ابررسانا استفاده می‌کند - مجموعه‌ای که در میان غول‌های فناوری دیگر از جمله IBM که Eagle را معرفی کرد، محبوب است. تراشه کوانتومی 127 کیوبیت در سال 2021 به اندازه یک چهارم است. تکرارهای دیگر از شرکت هایی مانند شرکت Honeywell و IonQ رویکرد متفاوتی را در پیش گرفتند و از یون‌ها - اتم‌هایی با یک یا چند الکترون حذف شده - به عنوان منبع اصلی محاسبات کوانتومی استفاده کردند.

ایده دیگر به فوتون ها یا ذرات نور متکی است. در حال حاضر مفید بودن آن ثابت شده است: برای مثال، نمایش مزیت کوانتومی چینی از یک دستگاه فوتونیک استفاده کرد. اما این ایده همچنین به عنوان یک پله ساده به سمت محاسبات کوانتومی به جای یک راه حل عملی، عمدتاً به دلیل مشکلات در مهندسی و راه اندازی، کنار گذاشته شده است.

انقلاب فوتونیک

تیم زانادو ثابت کرد که مخالفان اشتباه می کنند. تراشه جدید، Borealis، از این نظر که از فوتون‌ها - به جای مواد یا یون‌های ابررسانا - برای محاسبات استفاده می‌کند، تا حدودی شبیه تراشه‌ای است که در مطالعه چینی انجام شد.

اما یک مزیت بزرگ دارد: قابل برنامه ریزی است. آزمایش‌های قبلی معمولاً بر روی شبکه‌های ثابت تکیه می‌کردند، که در آن هر جزء پس از ساخته شدن ثابت می‌شود.» توضیح داده شده دکتر دانیل جوست براد از دانشگاه فدرال فلومیننس در ریودوژانیرو برزیل که در این مطالعه شرکت نداشت. نشان دادن مزیت کوانتومی قبلی در مطالعه چینی از یک تراشه ساکن استفاده کرد. با این حال، با Borealis، عناصر نوری «همه می‌توانند به راحتی برنامه‌ریزی شوند»، آن را به یک دستگاه یکبار مصرف کمتر تبدیل می‌کند و بیشتر یک رایانه واقعی است که به طور بالقوه قادر به حل مشکلات متعدد است. (زمین بازی کوانتومی است در فضای ابری موجود است برای هر کسی که پس از ثبت نام، آزمایش و کاوش کند.)

براد گفت، انعطاف‌پذیری تراشه از یک به‌روزرسانی طراحی مبتکرانه ناشی می‌شود، یک «طرح نوآورانه [که] کنترل و پتانسیل قابل‌توجهی برای مقیاس‌بندی ارائه می‌دهد».

تیم به مشکلی که فراخوانده شده بود پاسخ داد نمونه برداری بوزون گاوسی، معیاری برای ارزیابی قدرت محاسبات کوانتومی. این تست، اگرچه از نظر محاسباتی فوق‌العاده دشوار است، اما تأثیر زیادی بر مشکلات دنیای واقعی ندارد. با این حال، مانند شطرنج یا Go برای اندازه گیری عملکرد هوش مصنوعی، به عنوان یک قاضی بی طرف برای بررسی عملکرد محاسبات کوانتومی عمل می کند. برود توضیح داد: «نمونه‌برداری از بوزون گاوسی طرحی است که برای نشان دادن مزایای دستگاه‌های کوانتومی نسبت به رایانه‌های کلاسیک طراحی شده است».

این چیدمان مانند چادر آینه ای تفریحی کارناوال در یک فیلم ترسناک است. حالت‌های ویژه نور (و فوتون‌ها) - که به طرز جالبی «حالت های فشرده”- بر روی تراشه تعبیه شده با شبکه ای از تقسیم کننده های پرتو تونل می شوند. هر تقسیم کننده پرتو مانند یک آینه نیمه بازتابنده عمل می کند: بسته به نحوه برخورد نور، به چندین دختر تقسیم می شود که برخی از آنها به عقب بازتاب می شوند و برخی دیگر از آنها عبور می کنند. در انتهای ابزار، آرایه ای از آشکارسازهای فوتون قرار دارد. هر چه تعداد پرتوهای شکافنده بیشتر باشد، محاسبه اینکه چگونه هر فوتون منفرد به هر آشکارساز معینی ختم می‌شود، دشوارتر است.

به عنوان تجسم دیگر: یک ماشین لوبیا، یک تخته میخ میخ که در شیشه محصور شده است را تصویر کنید. برای بازی، یک پوک را در گیره های بالای آن می اندازید. هنگامی که پوک می افتد، به طور تصادفی به میخ های مختلف برخورد می کند و در نهایت در یک شکاف شماره گذاری شده فرود می آید.

نمونه برداری از بوزون گاوسی با هدف تشخیص اینکه کدام فوتون در کدام شکاف آشکارساز فرود می آید، فوتون ها را جایگزین پوک ها می کند. به دلیل ویژگی های کوانتومی، توزیع های احتمالی حاصل به صورت تصاعدی رشد می کنند و به سرعت از هر قدرت ابررایانه ای پیشی می گیرند. براد توضیح داد که این یک معیار عالی است، عمدتاً به این دلیل که ما فیزیک اساسی را درک می کنیم، و تنظیمات نشان می دهد که حتی چند صد فوتون می توانند ابررایانه ها را به چالش بکشند.

با انجام این چالش، مطالعه جدید یک دستگاه کوانتومی فوتونیک با 216 کیوبیت تحسین برانگیز را دوباره طراحی کرد. این دستگاه برخلاف طرح‌های کلاسیک، فوتون‌ها را در سطل‌های زمان رسیدن به جای استاندارد جهت قبلی محاسبه کرد. ترفند این بود که حلقه هایی از فیبرهای نوری را برای به تاخیر انداختن فوتون ها معرفی کنیم تا بتوانند در نقاط خاصی که برای محاسبات کوانتومی مهم هستند تداخل داشته باشند.

این ترفندها منجر به یک دستگاه بسیار باریک شد. شبکه بزرگ معمولی تقسیم‌کننده‌های پرتو - که معمولاً برای ارتباطات فوتون مورد نیاز است - را می‌توان به تنها سه کاهش داد تا تمام تاخیرهای لازم برای تعامل فوتون‌ها و محاسبه کار را برآورده کند. طرح‌های حلقه، همراه با اجزای دیگر، به‌راحتی قابل برنامه‌ریزی هستند، زیرا می‌توان یک تقسیم‌کننده پرتو را در زمان واقعی تنظیم کرد - مانند ویرایش کد رایانه، اما در سطح سخت‌افزار.

این تیم همچنین یک بررسی بهداشتی استاندارد را انجام داد و تأیید کرد که داده‌های خروجی صحیح هستند.

در حال حاضر، مطالعاتی که به طور قابل اعتماد برتری کوانتومی را نشان می‌دهند نادر هستند. کامپیوترهای معمولی نیم قرن پیش قدمی دارند. همانطور که الگوریتم‌ها در رایانه‌های معمولی در حال تکامل هستند - به خصوص آنهایی که از تراشه‌های متمرکز بر هوش مصنوعی یا نورومورفیک طراحی‌های محاسباتی - آنها حتی ممکن است به آسانی از دستگاه‌های کوانتومی بهتر عمل کنند، و آنها را برای رسیدن به عقب‌نشینی دچار مشکل کنند.

اما این لذت تعقیب و گریز است. «مزیت کوانتومی یک آستانه کاملاً تعریف شده بر اساس یک رقم شایستگی نیست. براد گفت و همانطور که آزمایش‌ها توسعه می‌یابند، تکنیک‌های شبیه‌سازی آن‌ها نیز افزایش می‌یابد - می‌توانیم انتظار داشته باشیم که دستگاه‌های کوانتومی رکورددار و الگوریتم‌های کلاسیک در آینده نزدیک به نوبت یکدیگر را برای کسب رتبه برتر به چالش بکشند.

او ادامه داد: ممکن است این پایان داستان نباشد. اما مطالعه جدید "یک جهش به جلو برای فیزیک کوانتومی در این مسابقه است."

تصویر های اعتباری: Geralt / 24493 عکس

تمبر زمان:

بیشتر از تکینگی هاب