क्वांटम कंप्यूटर के साथ भविष्य लगभग आ गया है - लेकिन क्या हम इसके लिए तैयार हैं?

नए, उपयोगी उपकरणों के समय के करीब आने पर, कंप्यूटिंग में मानव कारक महत्वपूर्ण हो जाता है

कंप्यूटिंग का भविष्य एक विशाल धातु टैंक है? मुझे निराशा होगी अगर यह पता चला कि अंदर यह सिर्फ एक लैपटॉप और Google वाला लड़का बैठा है।

यॉर्कटाउन हाइट्स, न्यूयॉर्क। मैं उस कमरे में हूं जहां भविष्य की कंप्यूटिंग के लिए विकल्पों में से एक स्थित है। कंप्यूटर खुद को बहुत अधिक प्रभावित नहीं करता है, और छत पर लटका एक धातु टैंक की तरह दिखता है। शोर एक धारणा बनाता है - आवधिक धातुई दस्तक कमरे में प्रचलित है। यह शीतलन प्रणाली की आवाज़ है, उपकरण को पूर्ण शून्य के करीब तापमान तक लाती है। और वहां कोई साधारण चिप नहीं लगाई जा रही है - यह क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए आईबीएम का दृष्टिकोण है।

2016 में, आईबीएम ने अपने क्वांटम कंप्यूटर के शुरुआती संस्करण को आज़माने के लिए जनता को आमंत्रित करने के लिए एक सनसनीखेज घोषणा की, जिसमें केवल पाँच क्विट थे - यह किसी भी गंभीर कंप्यूटिंग के लिए बहुत कम है, लेकिन नई तकनीक के साथ वास्तविक प्रोग्रामिंग अनुभव प्राप्त करने के लिए लोगों के लिए पर्याप्त है। तकनीक तेजी से विकसित हो रही थी, और आईबीएम ने अपने क्वांटम कंप्यूटर कमरे में अधिक टैंक स्थापित किए और आवश्यकतानुसार नई प्रक्रियाओं को जोड़ा। कंपनी ने परियोजना को पहले से ही 20 qubits में विस्तारित किया है, और आशावादी रूप से घोषणा की है कि यह 50 qubits के साथ एक संस्करण तैयार कर रही है।


कंपनी के शुरुआती कंप्यूटरों की तरह, आईबीएम का नया क्वांटम कंप्यूटर बेज केस में संलग्न है

जब हमने हाल ही में अनुसंधान केंद्र का दौरा किया। थॉमस वॉटसन, कंपनी के शोधकर्ता, अपने बयानों में अधिक सतर्क थे, उन्होंने जोर देकर कहा कि उन्होंने कोई वादा नहीं किया, और क्वांटम कंप्यूटरों के भविष्य के लिए सड़क पर एक 50-मील का कंप्यूटर सिर्फ एक और मील का पत्थर था। लेकिन उन्होंने हमें आश्वस्त किया कि आईबीएम को इस भविष्य में भाग लेने की गारंटी है, विशेष रूप से पारिस्थितिक तंत्र की ख़ासियतों के कारण जो कंपनी अपने पहले प्रयासों के आसपास बनाती है।

चिप बिल्डिंग ब्लॉक

क्वैबिट्स बनाने के लिए, आईबीएम एक सिलिकॉन सब्सट्रेट पर लगे रेज़ोनेटर से जुड़े सुपरकंडक्टिंग तारों का उपयोग करता है। तारों और सब्सट्रेट कंपनी को इलेक्ट्रॉनिक सर्किट बनाने में प्राप्त सभी अनुभव का उपयोग करने की अनुमति देते हैं, लेकिन इस मामले में तार एल्यूमीनियम के साथ नाइओबियम का मिश्रण है, जो इसे बेहद कम तापमान पर सुपरकंडक्टिंग की अनुमति देता है। जेरी चौ, जिन्होंने हमें उपकरण निरीक्षण कक्ष दिखाया, का कहना है कि कंपनी अभी भी क्वैट्स में सुधार के क्षेत्र में विवरण के साथ प्रयोग कर रही है, और विभिन्न सूत्रों और ज्यामिति का परीक्षण कर रही है।

गुंजयमान यंत्र माइक्रोवेव फ़्रीक्वेंसी के प्रति संवेदनशील होता है, जो आपको माइक्रोवेव दालों का उपयोग करके क्वबिट वैल्यू को असाइन करने या पढ़ने की अनुमति देता है। प्रत्येक चिप में ऑप्टिकल तत्व होते हैं जो इनपुट पर माइक्रोवेव प्राप्त करते हैं और उन्हें अलग-अलग क्वैबिट में निर्देशित करते हैं। अकेले माइक्रोवेव बाहर नहीं खड़े होते हैं, इसलिए मौजूदा, पूर्व-निर्मित घटकों का उपयोग करके डेटा प्रविष्टि का आयोजन किया जाता है। एकमात्र मुश्किल इनपुट डेटा को एक तरल हीलियम टैंक में डूबे चिप में स्थानांतरित करना है। इसके लिए डिज़ाइन किए गए उपकरण न केवल बेहद कम तापमान का सामना करना चाहिए, बल्कि कमरे के तापमान को गर्म करके भी जीवित रह सकते हैं। हालांकि, एक बार ठंडा होने पर, उपकरण प्रतिस्थापन की आवश्यकता के बिना अंतहीन काम करने में सक्षम होता है।


टैंक में निहित शीतलन प्रणाली का हिस्सा। तरल हीलियम आपको लगभग पूर्ण शून्य तक तापमान कम करने की अनुमति देता है

क्वांटम कंप्यूटिंग क्वाबिट्स की पेचीदगियों पर आधारित है। चाउ ने हमें बताया कि किन्हीं भी दो को भ्रमित करने के लिए, आप इस तथ्य पर भरोसा कर सकते हैं कि उनके पास अलग-अलग गुंजयमान आवृत्तियां हैं। यदि हम अपने साथी की प्रतिध्वनि आवृत्ति का उपयोग करके क्वाइबेट्स की एक जोड़ी के प्रत्येक सदस्य को संबोधित करते हैं, तो वे भ्रमित हो सकते हैं। फिर जोड़े के सेट को उच्च क्रम प्रणालियों में उलझाया जा सकता है। 100 μs के लिए qubit coherence को बनाए रखा जाता है, लेकिन qubit का एक जोड़ा 10 ns के लिए भ्रमित हो सकता है। चाउ ने कहा कि अब चिप को उलझाने के लिए कई माइक्रोसेकंड लगते हैं, जिससे पूरी प्रणाली तैयार करने और गणना करने के लिए पर्याप्त समय मिलता है।

तो अगर सब कुछ इतना सरल है, तो हमारे पास अभी भी 50-qubit चिप क्यों नहीं है?


बाहरी शीतलन नियंत्रण - लेकिन क्वांटम कंप्यूटर नहीं

समस्या यह है कि बाह्य शोर के लिए क्विब अत्यंत संवेदनशील होते हैं। यह डिवाइस के बाहर शोर हो सकता है (हालांकि एक धातु टैंक चिप को ढालने में मदद करता है)। यह आंतरिक शोर हो सकता है - एक शीतलन प्रणाली, माइक्रोवेव केबल, चिप घटक स्वयं - यह सब क्वैब के साथ बातचीत कर सकता है। और कोई भी बातचीत गणनाओं के लिए विनाशकारी है।

इसका मतलब यह है कि गणना करते समय, चिप की वास्तुकला में कोई भी बदलाव, यहां तक ​​कि एक एकल qubit के अलावा, संभवतः आवृत्ति और त्रुटियों के प्रकार को बदल सकता है। आईबीएम कठोर मॉडलिंग में लगी हुई है, चिप के निर्माण के लिए इस तरह की समस्याओं को सीमित करने की कोशिश कर रही है, लेकिन, एक अर्थ में, यह एक अनुभवजन्य और चरण-दर-चरण प्रक्रिया है: आपको चिप का उपयोग करने और यह देखने की आवश्यकता है कि क्या होता है। "नई qubit जोड़ने से हमें शोर और क्रॉसस्टॉक के स्रोतों की पहचान करने की अनुमति मिलेगी," चौ ने कहा।

यह सारा शेल्डन द्वारा इंगित किया गया है, जो माइक्रोवेव सिस्टम पर काम करने वाले वैज्ञानिकों में से एक है, जो क्वैब से डेटा को नियंत्रित और पढ़ता है। "हमारे पास व्यक्तिगत घटकों का वर्णन करने के लिए अच्छे उपकरण हैं, लेकिन पूरे उपकरण का वर्णन करने के लिए कोई उपयुक्त तरीके नहीं हैं," शेल्डन ने कहा। "जब हम सिस्टम को बढ़ाते हैं, तो हमें उन परिस्थितियों का सामना करना पड़ता है जिसमें एक qubit को नियंत्रित करने से कहीं और त्रुटियां हो सकती हैं।" उसने बाद में कहा: "हम उस सीमा तक पहुंच रहे हैं जिसके बाद इन उपकरणों को शास्त्रीय रूप से अनुकरण नहीं किया जा सकता है - और फिर कैसे कहें कि वे सही तरीके से काम करते हैं?"


और इसके लिए सभी? क्वांटम कंप्यूटर के टेस्ट चिप्स में से एक

श्रेष्ठता या आयतन?

क्वांटम कंप्यूटर का विचार यह है कि यह सामान्य कंप्यूटर की तुलना में एक निश्चित प्रकार के कार्डिनल तेजी से गणना कर सकता है। पर्याप्त संख्या में क्वैब्स को नियोजित करने से, एक क्वांटम कंप्यूटर उन कार्यों का सामना करने में सक्षम होगा जो एक पारंपरिक कंप्यूटर को ब्रह्मांड के अस्तित्व से हल करने में अधिक समय लगेगा। दहलीज, जो एक क्वांटम कंप्यूटर कर सकता है, को पार किया गया है, जिसे "क्वांटम श्रेष्ठता" करार दिया गया है। मार्च 2018 में क्वांटम कंप्यूटिंग के क्षेत्र में अपने विकास की घोषणा करने वाले Google ने इस अवधारणा का उल्लेख किया।

स्वाभाविक रूप से, Google ने अनुमेय संख्या की त्रुटियों (ऐसी राशि जिसे हम पारंपरिक कंप्यूटर से सहन नहीं करेंगे) के संदर्भ में क्वांटम श्रेष्ठता की अपनी अवधारणा तैयार की। आईबीएम, इसके विपरीत, त्रुटि सुधार qubits विकसित कर रहा है। दुर्भाग्य से, इस प्रणाली के लिए कई अतिरिक्त क्वाइबल्स की आवश्यकता होती है। बॉब सटोर, आईबीएम के क्वांटम कंप्यूटिंग के उपाध्यक्ष ने सुझाव दिया कि कई सौ त्रुटि-सुधार करने वाली क्वांट्स के साथ एक क्वांटम कंप्यूटर को काम करने के लिए हजारों क्विबिट की आवश्यकता होगी।



याद रखें कि कंपनी अभी भी 50 क्विट के साथ एक सिस्टम पर काम कर रही है जो त्रुटि सुधार में शामिल नहीं है। निकट भविष्य में, क्वांटम श्रेष्ठता से हमें कोई खतरा नहीं है।

इसके बजाय, आईबीएम "क्वांटम वॉल्यूम" के संदर्भ में सोचना शुरू करता है, त्रुटियों की संख्या के साथ गणना के लिए उपयोग की जाने वाली संख्याओं के संयोजन का एक उपाय। क्वांटम वॉल्यूम, आईबीएम से उन कंप्यूटरों की सार्थक तुलना और उन मशीनों की अनुमति देगा जो Google ने वर्णित की हैं। हालाँकि, यह उपाय हमें यह नहीं बताएगा कि इनमें से प्रत्येक मशीन कितनी उपयोगी होगी।

और, एक निश्चित सीमा तक, इस प्रश्न का उत्तर इस प्रकार है: "यह निर्भर करता है।" कुछ मामलों में, आप गलतियों के संदर्भ में सुरक्षित रूप से आ सकते हैं। उदाहरण के लिए, एक बड़ी संख्या का सरल कारक, एक क्लासिक कंप्यूटर पर तुरंत जांचा जा सकता है। अन्य मामलों में, त्रुटियां गणना के परिणाम को अविश्वसनीय बना देंगी, और इसे जांचने का कोई आसान तरीका नहीं होगा। इसलिए, वर्तमान कंप्यूटर थोड़ा अजीब हैं। "हम ऐसा कुछ कर सकते हैं, जिसके व्यवहार को शास्त्रीय रूप से भविष्यवाणी नहीं की जा सकती है और जिसका काम त्रुटिपूर्ण नहीं है," आईबीएम में क्वांटम कंप्यूटिंग और सूचना अध्ययन समूह के प्रबंधक जे गाम्बेटा ने कहा। "हम नहीं जानते कि उनकी मदद से क्या गणना की जा सकती है।"

उन्होंने कहा कि कई शास्त्रीय कंप्यूटर एल्गोरिदम पहले बनाए गए थे, और तभी उनकी प्रभावशीलता साबित हुई थी। क्वांटम कंप्यूटर के मामले में, कुछ साबित करना काफी मुश्किल है।

आप बस आँकड़ों की ओर रुख कर सकते हैं: एल्गोरिथ्म को कई बार चलाएं (क्वांटम त्वरण में संभावित रूप से या सभी लाभ को समाप्त कर सकते हैं) और सबसे लगातार उत्तर लें। आईबीएम इस मुद्दे को हल करता है, विशेष रूप से, सार्वजनिक भागीदारी के माध्यम से, अपने कंप्यूटर को आजमाने के लिए सभी को आमंत्रित करता है। यदि वे वर्तमान स्थिति में कुछ के लिए उपयोगी हैं, तो एक मौका है कि कोई इसका अनुमान लगाएगा।

QC के लिए एस.डी.के.

एक मशीन पर काम करने के लिए जनता को कैसे आकर्षित किया जाए जो एक बुनियादी ढांचे की आवश्यकता है जो तरल हीलियम शीतलन प्रदान करता है और जो मौजूदा सॉफ़्टवेयर नहीं चला सकता है? प्रश्न के उत्तर का हिस्सा, पावर माइक्रोप्रोसेसर पर आधारित अधिक पारंपरिक सर्वर के रूप में, कंप्यूटर कक्ष की दीवारों में से एक पर स्थित है। सर्वर उन लोगों द्वारा भेजे गए कार्यों को स्वीकार करता है जिन्होंने क्वांटम उपकरण का परीक्षण करने के लिए हस्ताक्षर किए हैं। इनमें बड़ी वित्तीय फर्में और कंप्यूटर साइंस पढ़ने वाले छात्र दोनों हैं।

लेकिन आईबीएम जवाब के दूसरे भाग पर निर्भर करता है: उच्च-स्तरीय एसडीके, जिसे वह क्यूओसिट कहता है। जैसा कि उनके नियंत्रण प्रणालियों के विकासकर्ता सारा शेल्डन का वर्णन है, इस प्रणाली के माइक्रोवेव दालों मनमाने ढंग से तरंग जनरेटर, मिक्सर, और एम्पलीफायरों के एक सेट पर भरोसा करते हैं। लेकिन QISKit उपयोगकर्ताओं को इन सभी विवरणों को अनदेखा करने की अनुमति देता है। यह उन्हें अलग-अलग क्वैब और उनके कनेक्शन की प्रारंभिक स्थिति को असाइन करने की अनुमति देता है, और फिर सॉफ्टवेयर - क्वांटम कंपाइलर जैसा कुछ - सिस्टम के काम करने के लिए आवश्यक प्रकाश दालों के एक सेट में इसका अनुवाद करता है। "आप माइक्रोवेव दालों में कभी नहीं चलेंगे," जे गैम्बेटा वादा करता है।

पायथन में प्रोग्रामिंग होती है, जिससे लोग मौजूदा कौशल का उपयोग कर सकते हैं।


शीतलन प्रणाली बंद है, और हीलियम को प्रतिस्थापित करने की आवश्यकता नहीं है

पहुंच को सरल बनाना तीसरे पक्ष की भागीदारी को प्रोत्साहित करने का एक निश्चित तरीका है, लेकिन उद्यम की सफलता ने आईबीएम को समुदाय के प्रबंधन का कार्य निर्धारित किया है। गैम्बेटा ने इस बात पर जोर दिया कि कार्य प्रणाली प्राप्त करने के लिए QISKit और साथी कंपाइलर बनाए गए थे। उन्होंने चर्चा की कि कैसे प्रणाली को अधिक मॉड्यूलर बनाया जाए ताकि इसमें विभिन्न उपयोगकर्ताओं के योगदान शामिल हो सकें - उनकी राय में, आईबीएम टीम ने पहले ही कोड में अधिक योगदान जमा कर लिया है जितना कि यह संभाल सकता है। उन्होंने यह भी उल्लेख किया कि वह कोड लाइब्रेरी जैसी किसी चीज़ को इकट्ठा करना शुरू करना चाहते हैं, यह देखते हुए कि तेजी से फूरियर ट्रांसफॉर्म को लागू करने जैसी चीजों ने बड़ी संख्या में समस्याओं को हल करने में अपनी योग्यता दिखाई है।

और जबकि आईबीएम इस तरह के प्रयासों को प्रोत्साहित करता है, गैम्बेटा को भी उम्मीद है कि लोग स्वाभाविक रूप से इस विषय में रुचि जागृत करेंगे। जन्म के बाद से, क्वांटम कंप्यूटिंग भौतिकी के क्षेत्र में सबसे अधिक भाग के लिए है। कंप्यूटर वैज्ञानिकों ने ऐसा करने का कोई कारण नहीं देखा, क्योंकि उपकरण बस उन्हें किसी भी गणना के साथ प्रदान नहीं कर सकते थे। स्थिति बदलने लगी है, और इस क्षेत्र के विकास के लिए कंप्यूटर वैज्ञानिकों का योगदान महत्वपूर्ण हो सकता है, क्योंकि, गैम्बेटा के अनुसार, "वे कार्यों के बारे में अलग तरह से सोचते हैं, न कि जैसे हम भौतिकविदों करते हैं।"

वह कंप्यूटर विज्ञान पाठ्यक्रमों में आईबीएम उपकरणों के उपयोग के बारे में भी आशावादी है। जब क्वांटम कंप्यूटिंग लोगों को शिक्षित करने का एक नियमित हिस्सा बन जाता है, तो उनके लिए कार्यों के एक विशिष्ट सेट के लिए उपयोगी साधन के रूप में उनसे संबंधित होना आसान होगा। इस बिंदु पर, एक क्वांटम कंप्यूटर एक GPU या अन्य विशेष उपकरणों की तरह कुछ बन जाएगा, इस अर्थ में कि लोगों को यह तय करने की आवश्यकता है कि क्या विशेष कोड लिखने का एक संभावित त्वरण इसके लायक है।

सामान्य तौर पर, यात्रा के बाद, मुझे यह धारणा मिली कि क्वांटम कंप्यूटिंग एक संक्रमण बिंदु पर आया है। उपकरण को देखने के लिए दौरे का एक हिस्सा आवश्यक था, लेकिन यह इस क्षेत्र का सबसे कम दिलचस्प हिस्सा बन सकता है। प्रगति की गति और नई qubits के जोड़ के साथ, प्रक्रिया एक धीमी गति से सुधार और अनुभवजन्य परीक्षण होगी। और तरल हीलियम से भरे एक सावधानी से अछूता टैंक के अंदर छिपे उपकरण देखने के लिए सबसे दिलचस्प बात नहीं है।

संपूर्ण कार्य अब नीचे आता है कि मौजूदा उपकरणों से अधिकतम कैसे प्राप्त किया जाए, और इसका उपयोग कंप्यूटर की क्षमताओं को बढ़ाने के लिए हमारी तत्परता की गारंटी के लिए कैसे किया जा सकता है। और उस समय, मानव कारक - अनुभव और सामुदायिक प्रबंधन का संग्रह - तेजी से महत्वपूर्ण होता जा रहा है।