فقدت أجهزة الكمبيوتر الكم في السباق وأخطاءهم القاتلة

تؤثر الهندسة على السرعة بشكل أسرع من الفيزياء

كمبيوتر IBM بحجم 16 كيلو بايت من عام 2017

في أكتوبر 2019 ، أعلنت Google عن تحقيق التفوق الكمومي - تم إعطاء هذا الاسم الكبير لتلك المرحلة في تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، حيث يمكن إثبات أنها قادرة على تحقيق ما لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر العادية تحقيقه. لا يزال البيان مثيرًا للجدل ، لذا فقد يتضح أننا بحاجة إلى عرض أفضل.

بغض النظر عن هذا البيان ، من المثير للاهتمام أن كلا من Google ونقادها من IBM اختاروا نفس القاعدة كأساس لإنشاء أجهزة الكمبيوتر الكمومية الخاصة بهم. مثل منافسهم الأصغر ، ريجيتي. كل هذا يوحي بأن منظر الحوسبة الكمومية قد استقر إلى حد ما خلال العقد الماضي. نحن الآن في وضع يتيح لنا اختيار الفائزين المحتملين وبعض الخاسرين.

لماذا أنت خاسر؟

ولكن لماذا يربح الفائزون وخاسرون؟

في النهاية ، يتعلق الأمر بالهندسة. لإنشاء كمبيوتر كمومي عملي ، من الضروري عمل العديد من وحدات البت الكمية (وحدات البت). يجب أن تبقى هذه الوحدات في حالة كمية لعدة عمليات منطقية. لتنفيذ هذه العمليات ، نحتاج إلى أن نكون قادرين على التعامل مع البتات بتفرد وفي مجموعات (على الأقل في أزواج). وبالطبع ، أنت بحاجة إلى القدرة على قراءة نتيجة الحساب.

تم إثبات العديد من هذه الاحتمالات بشكل فردي باستخدام الببتات الموضحة في سائل ، في ذرات Rydberg ، في المكثفات Bose-Einstein (CBE) ، في أنظمة الحالة الصلبة ، الشواغر المستبدلة بالنيتروجين في الماس (مراكز NV) ، عيوب السيليكون ، الأيونات المحتجزة ، في الضوء ، وبطبيعة الحال في حلقات فائقة التوصيل. هذه قائمة غير كاملة ، ولكن معظم الميزات المدرجة هي طريق مسدود ، ولأسباب مقنعة. على الرغم من أن سلوك qubit تمليه قوانين الفيزياء على مستوى البتات الفردية ، بمجرد التفكير في القياس ، يصبح من المهم للغاية تصميم نظام ، ويتبين أن العديد من هذه الخيارات ليست قابلة للتطوير بشكل كبير.

الحادث سيء

في وقت سابق من هذا العقد ، كانت مراكز NV وشواغر السيليكون ومواد الحالة الصلبة في الأماكن الأولى من السباق. تعمل جميع هذه المواد وفقًا لمبادئ مماثلة: يتم إدخال كمية صغيرة من المواد الملوثة في البلورة. يتم إدخال النيتروجين في الماس ، ويتم إدخال الفسفور في السيليكون ، ويتم إدخال الإيتربيوم في بلورات العقيق المصنوعة من الألومنيوم.

في كل مادة ، تتشكل الكيبيتات وفقًا لقوانين الفيزياء المشابهة. لا تلبي المواد الملوثة الشروط الملزمة للذرات المجاورة ، ونتيجة لذلك يبقى إلكترون معزول أو نواة موجبة الشحنة (أيون). يمكن استخدام حالات هذه الكائنات المعزولة كوحدات البت ، ويمكن أن تظل هذه الحالات على حالها لفترة طويلة جدًا - وغالبًا ما تكون أطول من منافسيها الأكثر نجاحًا.

ومع ذلك ، فإن هذه التقنيات لها عيوب أساسية. يمكن رؤية مثال جيد على العيوب في مراكز NV الماس. يتكون كل كيلو بايت من إلكترون واحد في حالة "مع وقف التنفيذ" بسبب عدم قدرة النيتروجين على الارتباط بأربع ذرات كربون. يتم الوصول إلى الإلكترون (للقراءة والكتابة) بالطريقة البصرية. لذلك ، تتمثل المشكلة الأولى في العثور على العديد من الوظائف الشاغرة المعزولة في البلورة ، والتي يمكن معالجتها بشكل منفصل. يعني العنوان البصري أن هذه الوظائف الشاغرة بعيدة جدًا عن بعضها البعض بحيث يتم الاقتران بها بشكل مباشر ، لذا يجب إجراء العمليات باستخدام الكيبيتات وتشابكها من خلال فوتونات ضوئية وميكروويفية. لسوء الحظ ، تتزاوج إشعاعات الموجات الصغرية بكافة البتات ، مما يقلل من الدقة التي يمكن التحكم بها بها.

الأسوأ من ذلك ، كل الوظائف الشاغرة مختلفة. يتم تحديد الخواص الكمومية للوظيفة الشاغرة حسب الموقع المحدد ونوع الذرات المحيطة به. على سبيل المثال ، في الماس ، يوفر نظيران شائعان للكربون فرقًا كبيرًا بدرجة كافية بحيث يؤثر وجود الكربون 13 على تشغيل البتات القريبة. لجعل البتات نفسها ، من الضروري تطبيق الحقول المغناطيسية المحلية التي تغير مستويات الطاقة لحالات الكابت. للقيام بذلك ، يجب أن تمر التيارات عالية نسبيا من خلال الأسلاك التي تمر في مكان قريب ، مع عزل هذه الآثار في وقت واحد حتى لا تؤثر على البتات الأخرى.

في الواقع ، ستكون جميع أجهزة الكمبيوتر المزودة برقائق الألماس مختلفة ، وسيكون لها ترتيب مختلف للبتات مع خصائص مختلفة. الأسلاك للتأكد من أن الحقول المغناطيسية المحلية تبقى محلية بما يكفي للتأثير على qubits الفردية تبدو معقدة بجنون. ثم تحتاج إلى وضع صفائف صغيرة من العدسات (الموجودة مباشرة على سطح الماس) لربط جميع البتات مع العالم الخارجي. جزء صغير من الاكتئاب من ذهني يفهم الهندسة ، يصرخ بصمت لمجرد التفكير فيه.

تواجه جميع أنظمة qubit تقريبًا بناءً على الوظائف الشاغرة مشكلات مماثلة ، لذلك نحن نسمع عنها بشكل أقل اليوم.

أنظمة الحالة الصلبة تستحق التذكر

في حالة أيونات في البلورة ، مثل الإيتربيوم في بلورة من العقيق الإيتريوم-الألومنيوم ، كل شيء مختلف قليلاً. هنا الحالة الكمية عادة لا يتم تخزينها في أيون الإيتربيوم واحد. بدلاً من ذلك ، يتم توزيع الحالة على السكان الأيوني ، مما يجعل النظام قويًا بشكل لا يصدق - هذه هي بعض الحالات الكمومية الطويلة. ومع ذلك ، هذا يجعل من الصعب تحديد موقع qubit. بعد كل شيء ، يتم تحديد الموقف من خلال البصريات التي تركز الضوء المستخدم لتسجيل وقراءة حالات الكم.

في الواقع ، يتم تحديد حالة البتات بواسطة نبضات ضوئية تتفاعل مع العديد من الأيونات في جسم البلورة. للعمل مع عدد كبير بما فيه الكفاية من البتات ، يلزم وجود نظام بصري معقد للغاية. وهذا حتى دون الأخذ في الاعتبار الحاجة إلى أن تكون قادرة على تشابك qubits وإجراء عمليات منطقية. مرة أخرى ، لا تسهم الدائرة في إنشاء كمبيوتر كمومي كامل. من ناحية أخرى ، تعد هذه البلورات مناسبة تمامًا لدور خلايا الذاكرة الكمومية ، ولا يزال بإمكانها العثور على التطبيق في هذه الإطارات المحدودة.

الحياد = اللامبالاة

بالابتعاد عن النهج العملية ، صادفنا خيارات أكثر غرابة - ذرات Rydberg (RA) و CBE.

يتم إنشاء RAs عن طريق نقل معظم الإلكترون الخارجي في الذرة إلى حالة ذات طاقة عالية للغاية. في هذه الحالة ، تشبه مدارات الإلكترونات مدارات الكواكب التي تدور حول نجم. يعمل qubit على أساس التحولات بين ولايات Rydberg المختلفة. يمكن ضبط الدول وقراءتها باستخدام نبضات ضوئية وانبعاث الفوتونات. يمكن التقاط RAs الباردة بصريًا من خلال الاحتفاظ بها في مكان واحد ، بحيث يمكن الوصول إليها باستخدام نظام بصري.

لسوء الحظ ، فإن طبيعتها بالذات لا تسمح لها بالتفاعل مع بعضها البعض بشكل مباشر ، لذلك يجب إجراء العمليات باستخدام الكيبيتات من خلال تبادل الفوتونات. وهذا ، كما في حالة الأيونات في البلورات ، يعقد النظام البصري وإجراء الحساب بشكل مفرط بحيث يمكن تحويل هذا النظام إلى نظام ناجح. ومثل هذه qubits من الصعب جدا إنشاء. إن إحضار عدد كبير من RA إلى حالة أولية متطابقة ليست مهمة تافهة.

يوفر CBE حالة كم رائعة ، والتي يمكن معالجتها ، وكذلك الحفاظ عليها ، بدقة عالية للغاية. ومن السهل نسبيا خلق. ولكن ، كما هو الحال في RA ، لا تؤثر هذه الحالة الكمية بشكل مباشر على الحالة الكمومية لمراكز CBE المجاورة ، مما يجعل من الصعب للغاية بناء دوائر منطقية منها.

هذه هي نوعية الفائز يمكن التعرف عليها بسهولة.

قارن هذا مع أجهزة الكمبيوتر الكمومية على الفخاخ الأيونية و QCs فائقة التوصيل. في حالة المصائد الأيونية ، يتم تخزين الحالة الكمومية على الأيونات المحاصرة الفردية ، ويمكن قراءتها منها. يمكن للبتات أن تتفاعل مباشرة مع بعضها البعض بسبب الحركة في الفخ ، وكذلك من خلال انبعاث وامتصاص الضوء والميكروويف. لا يزال هذا النظام البصري معقدًا ، لكنه مُبسط بفضل استخدام الموجات الدقيقة والحركات في الفخاخ ، المسؤولة عن إجراء عمليات معينة. هذا يكفي لجعل النظام عملي.

يتم إجراء qubits فائقة التوصيل. ربما تكون خواصهم الكمومية هي الأسوأ في جميع المنافسين. ومع ذلك ، فإن حقيقة إنتاجها تسمح لهم بالتحكم الصارم. التشغيل المنطقي والتخصيص والقراءة لحالات qubit والتخزين - كل هذا يمكن تصميمه بحيث يعمل الكمبيوتر لأطول فترة ممكنة. كان هذا الشعور بالتحكم هو الذي أعطى المهندسين الثقة ، لذلك بدأوا في زيادة عدد البتات.

البتات الضوئية هي الأكثر غرابة بين القادة الثلاثة. وبالتالي ، فهي لا تقف مكتوفة الأيدي لإجراء العمليات معهم ، لذا يلزم التنسيق الدقيق للغاية في الوقت ، نظرًا لأن اثنين أو أكثر من وحدات البت يجب أن تتداخل فيما بينها في الزمان والمكان. هذا الشرط يعقد تصميم المخططات الضوئية. لكن استخدام برنامج كمبيوتر خاص أمر ممكن.

المشكلة هي جعل دائرة الفوتون قابلة للبرمجة. إنه أمر صعب ، لكن ليس لدرجة أن المهندس صرخ خائفًا وهرب. وبهذا المعنى ، لا تزال هناك فرصة أمام البتات الضوئية للبقاء قادة.

الشيء الرئيسي هو التكلفة

هل سيكون لدينا التكنولوجيا الوحيدة لحكم الجميع؟ أعتقد أنه من حيث المبدأ ، نعم ، ستهيمن تقنية واحدة. أعتقد أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية الفوتونية ستفوز ، على الرغم من أن البتات فائقة التوصيل تقود الجميع. في الواقع ، كل هذا يتوقف على التكلفة: إن الألواح الموجودة على وحدات التوصيل الفائقة التوصيل أرخص بكثير من إنتاج أجهزة الكمبيوتر الموجودة على الفخاخ الأيونية أو دوائر الفوتون. ومع ذلك ، تشبه الدوائر الضوئية الدوائر المتكاملة حيث تقل التكلفة مع زيادة الحجم. لذلك ، بكميات كبيرة ، سيكون الفرق في السعر ضئيلاً.

ثم هناك تكلفة عملهم. تتطلب أجهزة الكمبيوتر الموجودة على مصائد الأيونات أنظمة تفريغ ذات مضخات باهظة الثمن ، وتعمل وحدات التوصيل فائقة التوصيل في درجات حرارة تقل عن درجة حرارة الهليوم السائل. الهيليوم غالي الثمن ، وثلاجات التخفيف باهظة الثمن أيضًا. المخططات الضوئية ليس لديها مثل هذه النفقات.

نعم ، تواجه مخططات الفوتون التي تلاحق منافسيها الآخرين صعوبات في التصميم ، لكن عندما نتغلب عليها ، ستلعب التكلفة في أيدي الضوئيات. أنا معرض لخطر الظهور كوني مستقبليًا (معذرة ، ستشعر هذه الفكرة بالسوء الآن) ، سيكون الجيلان الأول والثاني من QCs عبارة عن مزيج من وحدات التوصيل الفائقة وأجهزة الكمبيوتر الأيونية ، وبعد ذلك ستلاحق QCs الضوئية بها. بحلول الجيل الرابع ، لن يعرف أحد ما هو ترميز الإرسال .

لذلك أنا ممتن للسائر لأنه منحتني الوصول إلى جهاز كمبيوتر كمومي خفيف.