Computadores quânticos perdidos na corrida e seus erros fatais

A engenharia afeta a velocidade mais rapidamente que a física

Computador quântico de 16 qubit da IBM a partir de 2017

Em outubro de 2019, o Google anunciou a conquista da superioridade quântica - esse grande nome foi dado àquela fase no desenvolvimento de computadores quânticos, onde pode ser provado que eles são capazes do que os comuns não são capazes. A declaração ainda é controversa , por isso ainda pode resultar que precisamos de uma demonstração melhor.

Independentemente dessa afirmação, é interessante que o Google e seus críticos da IBM tenham escolhido a mesma base que a base para criar seus próprios computadores quânticos. Como seu menor concorrente, Rigetti. Tudo isso sugere que o cenário da computação quântica se estabilizou mais ou menos na última década. Agora estamos em uma posição em que podemos escolher os prováveis ​​vencedores e certos perdedores.

Por que você é um perdedor?

Mas por que vencedores vencem e perdedores perdem?

No final, tudo se resume à engenharia. Para criar um computador quântico prático, é necessário criar muitos bits quânticos (qubits). Esses qubits devem permanecer em um estado quântico para várias operações lógicas. Para realizar essas operações, precisamos ser capazes de manipular qubits individualmente e em grupos (pelo menos em pares). E, é claro, você precisa ler o resultado do cálculo.

Muitas dessas possibilidades foram demonstradas individualmente usando qubits colocados em um líquido, em átomos de Rydberg , em condensados ​​de Bose-Einstein (CBE), em sistemas de estado sólido, vagas substituídas por nitrogênio no diamante (centros NV), defeitos de silício, íons presos, na luz e naturalmente em anéis supercondutores. Esta é uma lista incompleta, mas a maioria dos recursos listados são becos sem saída e por razões convincentes. Embora o comportamento de um qubit seja ditado pelas leis da física no nível de qubits individuais, assim que você pensa em dimensionar, torna-se uma questão muito importante para projetar um sistema, e acontece que muitas dessas opções não são muito escalonáveis.

Acidente é ruim

No início desta década, os centros de NV, vagas de silício e materiais de estado sólido estavam nos primeiros lugares da corrida. Todos esses materiais funcionam de acordo com princípios semelhantes: uma pequena quantidade de material contaminante é introduzida no cristal. O nitrogênio é introduzido no diamante, o fósforo é introduzido no silício e o itérbio é introduzido nos cristais de granada de ítrio-alumínio.

Em cada material, os qubits são formados de acordo com leis semelhantes da física. O material poluente não satisfaz as condições de ligação dos átomos vizinhos, pelo que permanece um elétron isolado ou um núcleo (íon) carregado positivamente. Os estados desses objetos isolados podem ser usados ​​como qubits, e esses estados podem permanecer inalterados por muito tempo - geralmente até mais do que seus rivais mais bem-sucedidos.

No entanto, essas tecnologias têm desvantagens fundamentais. Um bom exemplo de falhas pode ser visto nos centros de diamante NV. Cada qubit consiste em um elétron em um estado "suspenso" devido à incapacidade do nitrogênio de se ligar a quatro átomos de carbono. O elétron é acessado (para leitura e escrita) pelo método óptico. Portanto, o primeiro problema é encontrar várias vagas isoladas no cristal, que podem ser tratadas separadamente. O endereçamento óptico implica que essas vagas estão muito distantes uma da outra para emparelhar diretamente, portanto, as operações com qubits e seu emaranhamento devem ser realizadas por fótons ópticos e de microondas. Infelizmente, a radiação de microondas combina com todos os qubits, reduzindo a precisão com a qual eles podem ser controlados.

Pior ainda, todas as vagas são diferentes. As propriedades quânticas de uma vaga são determinadas pela posição específica e pelo tipo de átomo que a cerca. Por exemplo, no diamante, dois isótopos comuns de carbono fornecem uma diferença grande o suficiente para que a presença de carbono-13 afete a operação de qubits próximos. Para tornar os qubits iguais, é necessário aplicar campos magnéticos locais que alteram os níveis de energia dos estados de qubit. Para fazer isso, correntes relativamente altas devem ser passadas pelos fios que passam nas proximidades, enquanto simultaneamente isolam esses efeitos para que eles não afetem outros qubits.

De fato, todos os computadores com chips de diamante serão diferentes, eles terão um arranjo diferente de qubits com propriedades diferentes. A fiação para garantir que os campos magnéticos locais permaneçam locais o suficiente para afetar qubits individuais parece incrivelmente complexo. E então você precisa colocar pequenas matrizes de lentes (localizadas diretamente na superfície do diamante) para conectar todos os qubits ao mundo exterior. Uma pequena parte deprimida do meu cérebro que entende de engenharia, grita silenciosamente com o simples pensamento dela.

Quase todos os sistemas de qubit baseados em vagas têm problemas semelhantes, por isso estamos ouvindo menos sobre eles hoje.

Sistemas de estado sólido que vale a pena lembrar

No caso de íons no cristal, como o itérbio em um cristal de granada de alumínio e ítrio, tudo é um pouco diferente. Aqui o estado quântico geralmente não é armazenado em um único íon de itérbio. Em vez disso, o estado é distribuído pela população de íons, o que torna o sistema incrivelmente forte - esses são alguns dos estados quânticos de maior duração. No entanto, isso dificulta a determinação da localização do qubit. Afinal, a posição é determinada pela ótica que focaliza a luz usada para registrar e ler estados quânticos.

De fato, o estado dos qubits é determinado por pulsos de luz interagindo com muitos íons no corpo do cristal. Para trabalhar com um número suficientemente grande de qubits, é necessário um sistema óptico muito complexo. E isso ocorre mesmo sem levar em conta a necessidade de ser possível enredar qubits e conduzir operações lógicas. Novamente, o circuito não contribui para a criação de um computador quântico de pleno direito. Por outro lado, esses cristais são perfeitamente adequados para o papel das células de memória quântica e ainda podem encontrar aplicação nesses quadros limitados.

Neutralidade = Indiferença

Afastando-nos ainda mais das abordagens práticas, encontramos opções mais exóticas - átomos de Rydberg (RA) e CBE.

Os RAs são criados transferindo o elétron mais externo de um átomo para um estado com energia extremamente alta. Nesse estado, as órbitas dos elétrons se assemelham às órbitas dos planetas que orbitam uma estrela. O qubit funciona com base em transições entre diferentes estados de Rydberg. Os estados podem ser definidos e lidos usando pulsos ópticos e a emissão de fótons. Os RAs frios podem ser capturados opticamente mantendo-os em um só lugar, para que possam ser acessados ​​usando um sistema óptico.

Infelizmente, sua própria natureza não lhes permite interagir diretamente entre si, portanto, operações com qubits precisam ser realizadas através da troca de fótons. E isso, como no caso de íons em cristais, complica excessivamente o sistema óptico e o procedimento de cálculo, para que esse sistema possa ser transformado em um bem-sucedido. E esses qubits são bastante difíceis de criar. Trazer um grande número de RAs para um estado inicial idêntico não é uma tarefa trivial.

O CBE fornece um maravilhoso estado quântico, que pode ser manipulado, bem como mantido, com uma precisão muito alta. E é relativamente fácil de criar. Mas, como no RA, esse estado quântico não afeta diretamente o estado quântico dos CBEs vizinhos, o que torna muito difícil construir circuitos lógicos a partir deles.

Esta é uma qualidade de vencedor facilmente identificável.

Compare isso com computadores quânticos em armadilhas de íons e QCs supercondutores. No caso de armadilhas de íons, o estado quântico é armazenado em íons aprisionados individualmente e é lido a partir deles. Os qubits podem interagir diretamente entre si devido ao movimento na armadilha, bem como através da emissão e absorção de luz e microondas. Esse sistema óptico ainda permanece complexo, mas é simplificado graças ao uso de microondas e movimentos em armadilhas, responsáveis ​​por realizar determinadas operações. Isso é suficiente para tornar o sistema prático.

Qubits supercondutores são feitos. Suas propriedades quânticas são provavelmente as piores de todos os rivais. No entanto, o fato de serem produzidos lhes permite ser rigorosamente controlados. Operação lógica, atribuição e leitura de estados de qubit, armazenamento - tudo isso pode ser projetado para que o computador funcione o maior tempo possível. Foi esse senso de controle que deu confiança aos engenheiros, então eles começaram a escalar o número de qubits.

Os qubits fotônicos são os mais exóticos dos três líderes. Portanto, eles não ficam parados para conduzir operações com eles, é necessária uma coordenação muito precisa no tempo, pois dois ou mais qubits devem se sobrepor no tempo e no espaço. Este requisito complica o design de esquemas fotônicos. Mas é possível usar um programa de computador especial.

O problema é tornar o circuito de fótons programável. É difícil, mas não tanto, que o engenheiro gritou de susto e fugiu. Nesse sentido, os qubits fotônicos ainda têm a chance de permanecerem líderes.

O principal é o custo

Teremos a única tecnologia para governar todos? Eu acho que, em princípio, sim, uma tecnologia dominará. Eu acho que os computadores quânticos de fótons vencerão, embora até agora, qubits supercondutores estejam levando todos. De fato, tudo se resume ao custo: placas em qubits supercondutores são muito mais baratos de produzir, em comparação com computadores que usam armadilhas de íons ou circuitos de fótons. No entanto, os circuitos fotônicos são semelhantes aos circuitos integrados, pois o custo diminui com o aumento da escala. Portanto, em grandes volumes, a diferença de preço será pequena.

E depois há o custo do seu trabalho. Os computadores nas armadilhas de íons requerem sistemas de vácuo com bombas caras, e qubits supercondutores operam a temperaturas abaixo da temperatura do hélio líquido. O hélio é caro, e os refrigeradores de diluição também são caros. Os esquemas fotônicos não têm tais despesas.

Sim, os esquemas de fótons que alcançam outros rivais têm dificuldades em projetar, mas quando os superamos, o custo fica nas mãos dos fotônicos. Estou correndo o risco de parecer futurista (desculpe-me, esse pensamento será ruim agora), as primeiras duas ou três gerações de CQs serão uma mistura de qubits supercondutores e computadores de íons, e os CQs fotônicos os alcançarão. Na quarta geração, ninguém saberá o que é qubit transmon .

Por isso, sou grato aos steppers por me dar acesso a um incrível computador quântico de luz.