Rekayasa mempengaruhi kecepatan lebih cepat daripada fisika
Komputer kuantum 16-qubit IBM mulai 2017Pada Oktober 2019, Google mengumumkan pencapaian superioritas kuantum - nama besar ini diberikan pada tahap itu dalam pengembangan komputer kuantum, di mana dapat dibuktikan bahwa mereka mampu melakukan apa yang orang biasa tidak mampu. Pernyataan itu masih
kontroversial , jadi mungkin masih perlu demonstrasi yang lebih baik.
Terlepas dari pernyataan ini, menarik bahwa Google dan kritiknya dari IBM memilih basis yang sama sebagai dasar untuk membuat komputer kuantum mereka sendiri. Seperti pesaing mereka yang lebih kecil, Rigetti. Semua ini menunjukkan bahwa lanskap komputasi kuantum telah lebih atau kurang stabil selama dekade terakhir. Sekarang kita berada dalam posisi di mana kita dapat memilih pemenang dan pecundang tertentu.
Kenapa kamu pecundang?
Tetapi mengapa pemenang menang dan kalah kalah?
Pada akhirnya, itu tergantung pada teknik. Untuk membuat komputer kuantum praktis, perlu membuat banyak bit kuantum (qubit). Qubit ini harus tetap dalam status kuantum untuk beberapa operasi logis. Untuk melakukan operasi ini, kita harus dapat memanipulasi qubit baik secara individu maupun dalam kelompok (setidaknya berpasangan). Dan, tentu saja, Anda perlu kemampuan untuk membaca hasil perhitungan.
Banyak dari kemungkinan ini ditunjukkan secara individual menggunakan qubit yang ditempatkan dalam cairan, di
atom Rydberg , di
kondensat Bose-Einstein (CBE), dalam sistem solid-state,
lowongan yang tersubstitusi nitrogen dalam berlian (pusat NV), cacat silikon, ion terperangkap, dalam cahaya, dan secara alami di cincin superkonduktor. Ini adalah daftar yang tidak lengkap, tetapi sebagian besar fitur yang tercantum adalah jalan buntu, dan untuk alasan yang memaksa. Meskipun perilaku qubit ditentukan oleh hukum fisika pada tingkat qubit individu, segera setelah Anda berpikir tentang penskalaan, menjadi sangat penting untuk merancang sistem, dan ternyata banyak dari opsi ini tidak terlalu skalabel.
Kecelakaan itu buruk
Awal dekade ini, pusat NV, lowongan silikon dan bahan solid-state berada di tempat pertama balapan. Semua bahan ini bekerja sesuai dengan prinsip yang sama: sejumlah kecil bahan kontaminan dimasukkan ke dalam kristal. Nitrogen dimasukkan ke dalam berlian, fosfor dimasukkan ke dalam silikon, dan ytterbium dimasukkan ke dalam kristal garnet yttrium-aluminium.
Dalam setiap materi, qubit dibentuk sesuai dengan hukum fisika yang sama. Bahan yang berpolusi tidak memenuhi kondisi ikatan atom-atom di sekitarnya, sebagai akibatnya masih ada elektron yang terisolasi atau inti yang bermuatan positif (ion). Status objek terisolasi ini dapat digunakan sebagai qubit, dan status ini dapat tetap tidak berubah untuk waktu yang sangat lama - seringkali bahkan lebih lama dari rival mereka yang lebih sukses.
Namun, teknologi ini memiliki kelemahan mendasar. Contoh cacat yang baik dapat dilihat di pusat berlian NV. Setiap qubit terdiri dari satu elektron dalam keadaan "tersuspensi" karena ketidakmampuan nitrogen untuk mengikat empat atom karbon. Elektron diakses (untuk membaca dan menulis) dengan metode optik. Oleh karena itu, masalah pertama adalah menemukan beberapa lowongan yang terisolasi dalam kristal, yang dapat diatasi secara terpisah. Pengalamatan optik menyiratkan bahwa lowongan ini terlalu jauh dari satu sama lain untuk berpasangan secara langsung, sehingga operasi dengan qubit dan keterikatannya harus dilakukan melalui foton optik dan microwave. Sayangnya, pasangan radiasi gelombang mikro dengan semua qubit, mengurangi akurasi yang dapat dikontrol.
Lebih buruk lagi, semua lowongan berbeda. Properti kuantum kekosongan ditentukan oleh posisi dan jenis atom di sekitarnya. Misalnya, pada intan, dua isotop karbon umum memberikan perbedaan yang cukup besar sehingga keberadaan karbon-13 memengaruhi operasi qubit di dekatnya. Untuk membuat qubit sama, perlu menerapkan medan magnet lokal yang mengubah tingkat energi status qubit. Untuk melakukan ini, arus yang relatif tinggi harus melewati kabel yang lewat di dekatnya, sementara secara bersamaan mengisolasi efek ini sehingga tidak mempengaruhi qubit lain.
Bahkan, semua komputer dengan chip berlian akan berbeda, mereka akan memiliki pengaturan qubit yang berbeda dengan properti yang berbeda. Pengkabelan untuk memastikan bahwa medan magnet lokal tetap cukup lokal untuk memengaruhi qubit individu tampaknya sangat kompleks. Dan kemudian Anda perlu meletakkan array lensa kecil (terletak langsung di permukaan berlian) untuk menghubungkan semua qubit dengan dunia luar. Bagian otak saya yang kecil dan depresi yang mengerti teknik, berteriak diam-diam hanya memikirkannya.
Hampir semua sistem qubit berdasarkan lowongan memiliki masalah yang sama, jadi kami tidak banyak mendengarnya hari ini.
Sistem solid-state layak diingat
Dalam kasus ion dalam kristal, seperti ytterbium dalam kristal yttrium-aluminium garnet, semuanya sedikit berbeda. Di sini keadaan kuantum biasanya tidak disimpan dalam satu ion ytterbium. Alih-alih, keadaan didistribusikan di atas populasi ion, yang membuat sistem ini sangat kuat - ini adalah beberapa keadaan kuantum yang paling berumur panjang. Namun, ini membuat sulit untuk menentukan lokasi qubit. Bagaimanapun, posisi ditentukan oleh optik yang memfokuskan cahaya yang digunakan untuk merekam dan membaca keadaan kuantum.
Faktanya, keadaan qubit ditentukan oleh pulsa cahaya yang berinteraksi dengan banyak ion di dalam tubuh kristal. Untuk bekerja dengan jumlah qubit yang cukup besar, diperlukan sistem optik yang sangat kompleks. Dan ini bahkan tanpa memperhitungkan kebutuhan untuk dapat melibatkan qubit dan melakukan operasi logis. Sekali lagi, sirkuit tidak berkontribusi pada pembuatan komputer kuantum yang lengkap. Di sisi lain, kristal-kristal ini sangat cocok untuk peran sel memori kuantum, dan masih dapat menemukan aplikasi dalam bingkai terbatas ini.
Netralitas = Ketidakpedulian
Bergerak lebih jauh dari pendekatan praktis, kami menemukan pilihan yang lebih eksotis - atom Rydberg (RA) dan CBE.
RA dibuat dengan mentransfer elektron paling eksternal dalam atom ke keadaan dengan energi yang sangat tinggi. Dalam keadaan ini, orbit elektron menyerupai orbit planet yang mengorbit bintang. Qubit bekerja atas dasar transisi antara berbagai negara Rydberg. Negara dapat diatur dan dibaca menggunakan pulsa optik dan emisi foton. Cold RA dapat ditangkap secara optik dengan menahannya di satu tempat, sehingga dapat diakses menggunakan sistem optik.
Sayangnya, sifat mereka tidak memungkinkan mereka untuk berinteraksi satu sama lain secara langsung, sehingga operasi dengan qubit perlu dilakukan melalui pertukaran foton. Dan ini, seperti dalam kasus ion dalam kristal, terlalu rumit sistem optik dan prosedur perhitungan sehingga sistem ini dapat diubah menjadi yang sukses. Dan qubit semacam itu cukup sulit untuk dibuat. Membawa sejumlah besar RA ke keadaan awal yang identik bukanlah tugas yang sepele.
CBE menyediakan keadaan kuantum yang luar biasa, yang dapat dimanipulasi, serta dipertahankan, dengan akurasi yang sangat tinggi. Dan itu relatif mudah dibuat. Tetapi, seperti dalam RA, keadaan kuantum ini tidak secara langsung mempengaruhi keadaan kuantum CBE tetangga, yang membuatnya sangat sulit untuk membangun sirkuit logis dari mereka.
Ini adalah kualitas pemenang yang mudah diidentifikasi.
Bandingkan ini dengan komputer kuantum pada perangkap ion dan QC superkonduktor. Dalam kasus jebakan ion, keadaan kuantum disimpan pada masing-masing ion yang terperangkap, dan dibaca dari mereka. Para qubit dapat berinteraksi secara langsung satu sama lain karena gerakan dalam perangkap, serta melalui emisi dan penyerapan cahaya dan gelombang mikro. Sistem optik ini masih tetap kompleks, tetapi disederhanakan berkat penggunaan gelombang mikro dan gerakan dalam perangkap, yang bertanggung jawab untuk melakukan operasi tertentu. Ini cukup untuk membuat sistem praktis.
Qubit superkonduktor dibuat. Sifat kuantum mereka mungkin yang terburuk dari semua rival. Namun, fakta bahwa mereka diproduksi memungkinkan mereka untuk dikontrol dengan ketat. Operasi logis, penugasan, dan pembacaan status qubit, penyimpanan - semua ini dapat dirancang agar komputer berjalan selama mungkin. Perasaan kontrol inilah yang memberi kepercayaan para insinyur, sehingga mereka mulai mengukur jumlah qubit.
Qubit fotonik adalah yang paling eksotis dari tiga pemimpin. Karena itu, mereka tidak tinggal diam untuk melakukan operasi dengan mereka, diperlukan koordinasi waktu yang sangat tepat, karena dua atau lebih qubit harus saling tumpang tindih dalam ruang dan waktu. Persyaratan ini menyulitkan desain skema fotonik. Tetapi menggunakan program komputer khusus adalah mungkin.
Masalahnya adalah membuat rangkaian foton dapat diprogram. Itu sulit, tetapi tidak sampai insinyur itu berteriak ketakutan dan melarikan diri. Dalam hal ini, qubit fotonik masih memiliki kesempatan untuk tetap menjadi pemimpin.
Yang utama adalah biaya
Akankah kita memiliki satu-satunya teknologi untuk memerintah semua orang? Saya pikir, pada prinsipnya, ya, satu teknologi akan mendominasi. Saya pikir komputer foton kuantum akan menang, meskipun sejauh ini, qubit superkonduktor mendorong semua orang. Faktanya, semuanya berujung pada biaya: papan pada qubit superkonduktor jauh lebih murah untuk diproduksi daripada komputer pada perangkap ion atau sirkuit foton. Namun, sirkuit fotonik mirip dengan sirkuit terintegrasi di mana biaya berkurang dengan meningkatnya skala. Karena itu, dalam volume besar, selisih harga akan kecil.
Dan kemudian ada biaya pekerjaan mereka. Komputer pada perangkap ion memerlukan sistem vakum dengan pompa mahal, dan qubit superkonduktor beroperasi pada suhu di bawah suhu helium cair. Helium mahal, dan lemari es pengenceran juga mahal. Skema fotonik tidak memiliki biaya seperti itu.
Ya, skema foton yang bersaing dengan saingan lain memiliki kesulitan dalam mendesain, tetapi ketika kita mengatasinya, biayanya akan jatuh ke tangan para fotografer. Saya berisiko tampil sebagai futuris (permisi, pemikiran ini akan terasa buruk sekarang), dua atau tiga generasi pertama QC akan menjadi campuran qubit superkonduktor dan komputer ion, dan kemudian QC fotonik akan menyusul mereka. Pada generasi keempat, tidak ada yang akan tahu apa itu
transmon qubit .
Jadi saya berterima kasih kepada
steppers karena memberi saya akses ke komputer cahaya kuantum yang menakjubkan.