Kuantum Bilgisayarlar Hesaplama Gücünün Altın Çağında Nasıl Ulaşabilir?

Kuantum bilgisayarlar, günümüzün makinelerinde çözülemeyen sorunları çözerek, bilgi işlem gücünün altın çağını başlatabilir.

1940'lardan beri klasik bilgisayarlar son derece hızlı gelişti. Bugün, yarım asır öncesinin son teknoloji ürünü oda büyüklüğündeki bilgisayardan daha fazla işlem gücüne sahip bir kol saati satın alabilirsiniz. Bu ilerlemeler, tipik olarak, elektrik mühendislerinin daha küçük transistörleri ve devreleri şekillendirme ve bunları daha da yakın bir şekilde paketleme becerilerinden kaynaklanmaktadır.

Ancak bu küçültme, sonunda fiziksel bir limiti aşacak - bilgisayar elektroniği atomik seviyeye yaklaştıkça, komşu bileşenleri etkilemeden tek tek bileşenleri kontrol etmek imkansız hale gelecek. Klasik bilgisayarlar, geleneksel ölçeklendirmeyi kullanarak süresiz olarak gelişmeye devam edemez.

1980'lerde ortaya çıkan bir fikir olan kuantum hesaplama, bir gün batonu güçlü, yüksek hızlı bilgi işlemin yeni bir çağına taşıyabilir. Yöntem, klasik bilgisayarlar için uygun olmayan karmaşık hesaplamaları çalıştırmak için kuantum mekaniği fenomeni kullanır. Teoride, kuantum hesaplama , klasik bilgisayarlar bin yıl sürecek problemleri dakikalar içinde çözebilir. Google, kuantum bilişimin belirli görevler için dünyanın en iyi süper bilgisayarından daha iyi performans gösterme yeteneğini şimdiden kanıtladı.

Ancak hala erken günler - kuantum hesaplamanın pratik problemleri güvenilir bir şekilde çözebilmesi için önce bir dizi bilim ve mühendislik engelini aşması gerekiyor. MIT'de 100'den fazla araştırmacı, kuantum hesaplamayı ölçeklendirmek ve potansiyelini gerçeğe dönüştürmek için gerekli temel teknolojilerin geliştirilmesine yardımcı oluyor.

Kuantum hesaplama nedir?

Bu hikayeyi okumak için kullandığınız gibi, ilk önce klasik bilgisayarların temellerini anlamanıza yardımcı olur. Klasik bilgisayarlar, bilgileri her biri 0 veya 1 değerine sahip ikili bitlerde depolar ve işler. Tipik bir dizüstü bilgisayar, bu iki değerden birini temsil etmek için farklı elektrik voltaj seviyeleri kullanan milyarlarca transistör içerebilir. Klasik bilgisayarların şekli, boyutu ve gücü büyük ölçüde farklılık gösterse de, hepsi aynı temel ikili mantık sistemi üzerinde çalışır.

Kuantum bilgisayarlar temelde farklıdır. Kuantum bitlerinin her biri 0, 1 değerini veya iki durumun eşzamanlı bir kombinasyonunu tutabilir. Bu, süperpozisyon adı verilen kuantum mekaniksel bir fenomen sayesinde. MIT Lincoln Laboratuvarı Kuantum Bilgi ve Entegre Nanosistemler Grubunda araştırmacı olan John Chiaverini, "Bir kuantum parçacığı aynı anda iki yerde gibi davranabilir" diyor.

Parçacıklar ayrıca, kuantum durumları ayrılmaz bir şekilde bağlantılı hale geldikçe birbirleriyle "dolaşık" olabilir. Chiaverini, süperpozisyon ve dolaşıklığın kuantum bilgisayarların "bazı problem türlerini klasik bilgisayarlardan katlanarak daha hızlı çözmesine" izin verdiğini söylüyor.

Chiaverini, kuantum bilgisayarların parlayabileceği belirli uygulamalara işaret ediyor. Örneğin, kriptografide ve dijital güvenlikte hayati bir araç olan büyük sayıları çarpanlarına ayırmada harikalar. Ayrıca, ilaç keşfine yardımcı olabilecek karmaşık moleküler sistemleri simüle edebilirler. Prensip olarak, kuantum bilgisayarlar birçok araştırma ve endüstri alanını turbo şarj edebilir - keşke güvenilir olanları oluşturabilseydik.

Kuantum bilgisayarı nasıl inşa edersiniz?

Kuantum sistemlerinin yönetilmesi, iki ilgili zorluk nedeniyle kolay değildir. Birincisi, bir kübitin süperpozisyon durumunun oldukça hassas olmasıdır. Küçük çevresel rahatsızlıklar veya malzeme kusurları, kübitlerin hata yapmasına ve kuantum bilgilerini kaybetmesine neden olabilir. Eşevresizlik adı verilen bu işlem, bir kübitin faydalı ömrünü sınırlar.

İkinci zorluk, genellikle ince ayarlanmış bir elektromanyetik radyasyon darbesiyle elde edilen mantıksal işlevleri yerine getirmek için kübitin kontrol edilmesidir. Bu manipülasyon sürecinin kendisi, uyumsuzluğa neden olmak için yeterli tesadüfi elektromanyetik gürültü üretebilir. Kuantum bilgisayarları büyütmek için mühendisler, kübitleri potansiyel rahatsızlıktan korumakla yine de hesaplamalar için manipüle edilmelerine izin vermek arasında bir denge kurmak zorunda kalacaklar. Bu denge teorik olarak bir dizi fiziksel sistemle sağlanabilir, ancak şu anda en çok umut veren iki teknoloji: süper iletkenler ve tuzaklanmış iyonlar.

Süper iletken bir kuantum bilgisayar, kübit olarak dirençsiz bir devre boyunca "Cooper çiftleri" adı verilen eşleştirilmiş elektronların akışını kullanır. MIT Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri Bölümü'nde doçent olan William Oliver, Lincoln Laboratuvarı Üyesi ve MIT Merkezi direktörü olan William Oliver, "Bir süperiletken oldukça özeldir, çünkü belirli bir sıcaklığın altında direnci ortadan kalkar" diyor. Kuantum Mühendisliği için.

Bilgisayar Oliver mühendisleri, mutlak sıfıra yakın soğutulmuş süper iletken alüminyum devrelerden oluşan kübitleri kullanıyor . Akım devreden bir yönden akarken sistem, 0 ve 1'e karşılık gelen iki enerji durumuna sahip harmonik olmayan bir osilatör görevi görür. Bu süper iletken kübitler nispeten büyüktür, her bir kenar boyunca milimetrenin onda biri kadar - bu, klasik bir transistörden yüzbinlerce kat daha büyüktür. Süperiletken bir kübitin hacmi, hesaplamalar için manipüle etmeyi kolaylaştırır.

Ancak bu, Oliver'ın sürekli olarak eşevrelilıkla mücadele ettiği ve kübitleri çevresel gürültüden korumanın yeni yollarını aradığı anlamına da geliyor. Araştırma misyonu, güvenilir süper iletken kuantum bilgisayarların üretimini sağlayabilecek bu teknolojik karışıklıkları gidermektir. Oliver, "Temel araştırma yapmayı seviyorum, ancak bunu pratik ve ölçeklenebilir bir şekilde yapmayı seviyorum" diyor. Kuantum mühendisliği, kuantum bilimi ile geleneksel mühendisliği birbirine bağlar. Kuantum hesaplamayı gerçeğe dönüştürmek için hem bilim hem de mühendislik gerekli olacak. "

Kübitleri uyumsuzluğa karşı korurken manipüle etme zorluğunun bir başka çözümü de, kübit olarak tek tek atomları ve bunların doğal kuantum mekanik davranışlarını kullanan tuzağa düşürülmüş bir iyon kuantum bilgisayardır. Chiaverini'ye göre atomlar, aşırı soğutulmuş devrelerden daha basit kübitler yapar. "Şans eseri, kübitleri kendim yapmak zorunda değilim," diyor. Doğa bana bu gerçekten güzel kübitleri veriyor. Ancak anahtar, sistemi tasarlamak ve bunlara ulaşmaktır. "

Chiaverini'nin kübitleri nötr atomlardan ziyade yüklü iyonlardır çünkü içermek ve yerelleştirmek daha kolaydır. İyonun kuantum davranışını kontrol etmek için lazerler kullanıyor. "Bir elektronun durumunu manipüle ediyoruz. Biz de elektronların tanıttığınız atom yüksek enerji düzeylerine veya daha düşük bir enerji seviyesine”diyor.

İyonların kendileri, bir çip üzerindeki elektrot dizisine voltaj uygulanarak yerinde tutulur. "Bunu doğru yaparsam, çip yüzeyinin hemen üzerinde sıkışmış bir iyonu tutabilen bir elektromanyetik alan oluşturabilirim." Chiaverini, elektrotlara uygulanan voltajları değiştirerek, iyonları çip yüzeyinde hareket ettirerek, ayrı ayrı hapsolmuş iyonlar arasında çok-kübitlik işlemlere izin verir.

Bu nedenle, kübitlerin kendisi basit olsa da, onları çevreleyen sisteme ince ayar yapmak çok büyük bir zorluktur. "Lazerler, voltajlar ve radyo frekansı sinyalleri gibi kontrol sistemlerini tasarlamanız gerekiyor. Bunların hepsini iyonları da yakalayan bir çipe yerleştirmek, önemli bir kolaylaştırıcı olduğunu düşündüğümüz şeydir. "

Chiaverini, tuzağa düşürülmüş iyon kuantum bilgisayarlarının karşılaştığı mühendislik zorluklarının, eşevrelilığı önlemek yerine genellikle kübit kontrolü ile ilgili olduğunu belirtiyor; tersi süper iletken tabanlı kuantum bilgisayarlar için geçerlidir. Ve tabii ki, kuantum bilgisayarlar olarak fizibilitesi açısından araştırılan sayısız başka fiziksel sistem var.

Buradan nereye gidiyoruz?

Bir kuantum bilgisayar satın almak için para biriktiriyorsanız, nefesinizi tutmayın. Oliver ve Chiaverini, bilim ve mühendislik ilerledikçe kuantum bilgi işlemenin ticari pazara ancak önümüzdeki yıllarda ve on yıllarda kademeli olarak gireceği konusunda hemfikir.

Bu arada Chiaverini, geliştirdiği tuzağa düşürülmüş iyon teknolojisinin başka bir uygulamasına dikkat çekiyor: navigasyon ve GPS'e yardımcı olabilecek son derece hassas optik saatler. Oliver, kendi adına, klasik bir makinenin bir algoritmanın çoğunu çalıştırabileceği, kuantum makinesinin kübit çözülmeden önce çalışması için seçilmiş hesaplamalar gönderebileceği, bağlantılı bir klasik kuantum sistemi hayal ediyor. Uzun vadede, kuantum bilgisayarlar, iyileştirilmiş hata düzeltme kodları süresiz olarak çalışmasına izin verdiği için daha bağımsız çalışabilir.

Chiaverini, "Kuantum hesaplama birkaç yıldır gelecek." Diyor. Ancak şimdi teknoloji, yalnızca bilimsel bir sorundan ortak bir bilim ve mühendislik sorununa ("kuantum mühendisliği") doğru kayan bir dönüm noktasına ulaşıyor gibi görünüyor - kısmen Chiaverini, Oliver ve MIT Merkezi'ndeki diğer düzinelerce araştırmacı tarafından desteklenen bir Kuantum Mühendisliği (CQE) ve başka yerlerde.