ปริศนาอันเหลือเชื่อในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมเครื่องแรก

เมื่อเดือนมีนาคมที่ผ่านมา Google ได้สร้างชื่อเสียงด้วยการนำเสนอ Bristlecone ซึ่งเป็นโปรเซสเซอร์ควอนตัมที่มี 72 คิวบิต ไม่มีใครทำได้ดีกว่านี้แล้ว มันเป็นสถิติ แต่เมื่อเราได้ยินผู้เชี่ยวชาญของเว็บยักษ์พูด ความรู้สึกภาคภูมิใจที่เราอาจคาดหวังยังคงมีจำกัดมาก และด้วยเหตุผลที่ดี: สาขาคอมพิวเตอร์ควอนตัมยังคงไม่ได้รับการสำรวจเป็นส่วนใหญ่ และความท้าทายทางเทคนิคก็มีมหาศาล“เราเป็นเหมือนจุดเริ่มต้นของไมโครโปรเซสเซอร์ เมื่อเราผลิตชิปตัวแรกโดยไม่รู้ว่าพวกมันจะมีพฤติกรรมอย่างไร เรายังมีอีกมากที่จะเรียนรู้”, ให้ความไว้วางใจกับ Kevin Kissell ผู้อำนวยการด้านเทคนิคระบบคลาวด์ของ Google เนื่องในโอกาสที่ฟอรัม Teratec-“คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นแนวทางที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง และเราเป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น”เน้นย้ำถึง Bob Sorensen นักวิเคราะห์ที่เชี่ยวชาญด้านคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ Hyperion Research ซึ่งเป็นบริษัทที่ดำเนินการวิจัยตลาด

แน่นอนว่าหลักการคำนวณควอนตัมตอนนี้เข้าใจดีแล้ว อย่างที่เราอธิบายไว้ในบทความก่อนหน้านี้การใช้ "ควอนตัมบิต" หรือ "คิวบิต" จะเปิดวิธีการคำนวณซึ่งพลังจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณตามจำนวนคิวบิตที่ใช้ เรายังมีอัลกอริธึมที่สามารถได้รับประโยชน์จากมันอยู่แล้ว เช่น Shor (การแยกตัวประกอบของจำนวนมากให้เป็นจำนวนเฉพาะ) หรือของ Grover (ค้นหาองค์ประกอบหนึ่งจากองค์ประกอบอื่นๆ อีกมากมาย) ปัญหาใหญ่ที่นักวิจัยเผชิญอยู่ในปัจจุบันคือการประดิษฐ์คิวบิตทางกายภาพ รวมถึงการบูรณาการและการจัดการในระบบคอมพิวเตอร์

กฎของกลศาสตร์ควอนตัมหมายความว่าสถาปัตยกรรมของคอมพิวเตอร์ควอนตัมโดยพื้นฐานแล้วแตกต่างไปจากสิ่งที่เรารู้จนถึงขณะนี้ ในคอมพิวเตอร์คลาสสิก บิตสามารถคัดลอกและถ่ายโอนได้อย่างต่อเนื่อง ในระบบควอนตัม สิ่งนี้เป็นไปไม่ได้เนื่องจากการอ่านควิบิตจะทำให้สถานะควอนตัมที่ทับซ้อนกันจางหายไปโดยอัตโนมัติ อย่างไรก็ตาม การซ้อนทับนี้ (ดูบทความก่อนหน้านี้) เป็นที่สนใจอย่างมากต่อการคำนวณควอนตัม เนื่องจากทำให้มีความเป็นไปได้ของการประมวลผลแบบขนานขนาดใหญ่ กล่าวโดยสรุปก็คือ qubits ถูกประณามให้คงอยู่นิ่ง

เวลาเชื่อมโยงกันของควอนตัมเป็นจุดสำคัญของเรื่องนี้

หากต้องการสร้างคิวบิต คุณต้องมีอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ที่ช่วยให้คุณสามารถสร้างและควบคุมอนุภาคและสถานะควอนตัมได้ ขณะนี้มีการสำรวจเทคนิคหลายอย่าง แต่ทั้งหมดประสบปัญหาเดียวกัน กล่าวคือความไม่เสถียรของสถานะควอนตัมที่ซ้อนทับ สถานการณ์ของการซ้อนทับซึ่งนักฟิสิกส์เรียกว่าการเชื่อมโยงกันของควอนตัม เป็นเรื่องยากมากที่จะรักษาไว้เพราะมันไวต่ออิทธิพลภายนอกมาก อย่างดีที่สุด คิวบิตที่เรากำลังสร้างอยู่อาจใช้เวลาเพียงหนึ่งนาที ซึ่งส่วนใหญ่ไม่เพียงพอที่จะดำเนินการคำนวณที่น่าสนใจ

หนึ่งในเทคโนโลยีคิวบิตที่ทำงานได้ดีที่สุดจากมุมมองนี้คือไอออนที่ถูกกักขังโดยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นหลักการที่รู้จักกันมาตั้งแต่ปี 1950 สถานะการเชื่อมโยงกันของคิวบิตดังกล่าวอาจใช้เวลานานถึง 50 วินาที นี่คือสาเหตุที่บริษัท IonQ ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้เล่นหลักในสาขานี้ คิดว่ามาถูกทางแล้ว แต่เวลาในการคำนวณค่อนข้างช้า – ในระดับไมโครวินาที – และการปรับขนาดก็ทำได้ยาก ปัจจุบันบันทึกมีขนาด 14 คิวบิต และตั้งแต่ปี 2554

คิวบิตตัวนำยิ่งยวดดึงดูดแบรนด์ใหญ่ๆ

นี่อาจเป็นเหตุผลว่าทำไมคอมพิวเตอร์ยักษ์ใหญ่สามรายอย่าง Google, IBM และ Intel จึงได้เริ่มต้นเส้นทางใหม่ นั่นคือ คิวบิตตัวนำยิ่งยวด พวกมันถูกสร้างขึ้นจากวงจรตัวนำยิ่งยวดซึ่งสร้างเอฟเฟกต์ควอนตัมเมื่อทำให้มีอุณหภูมิใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ ในระดับไม่กี่มิลลิเคลวิน (0 เคลวิน = -273.15 องศาเซลเซียส) ซึ่งมีข้อจำกัดมากกว่าไอออนที่ติดอยู่ซึ่งสามารถจัดการได้ที่อุณหภูมิไม่กี่เคลวิน คิวบิตของตัวนำยิ่งยวดมีข้อบกพร่องอีกอย่างหนึ่ง นั่นคือเวลาในการเชื่อมโยงที่ต่ำ ซึ่งน้อยกว่า 100 ไมโครวินาที แต่ข้อได้เปรียบที่สำคัญคือพวกมันเร็วกว่าคิวบิตที่ใช้ไอออนที่ติดอยู่เป็นพันเท่า การประกอบยังง่ายกว่าการควบคุมและการอ่านหน่วยทำได้ด้วยคลื่นความถี่วิทยุ

จนถึงตอนนี้ผลลัพธ์ค่อนข้างมีแนวโน้มดี ผู้ติดตามเส้นทางนี้ได้สร้างระบบควอนตัมที่ใหญ่ที่สุดจนถึงปัจจุบัน ชิปจาก Google, Intel และ IBM จึงมีความเร็วถึง 72, 49 และ 20 คิวบิตตามลำดับ

น่าเสียดายที่คิวบิตเหล่านี้ทั้งหมดมักมีอัตราความผิดพลาดสูงเกินกว่าจะหลอมรวมได้แม้แต่คิวบิตจริงหรือ "คิวบิตเชิงตรรกะ" ตัวเดียว กล่าวคือ คิวบิตซึ่งมีพฤติกรรมที่ซื่อสัตย์ต่อทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ของการคำนวณควอนตัม เพื่อหวังว่าจะได้รับคิวบิตเชิงตรรกะที่เทียบเท่า ผู้ผลิตจึงใช้เทคนิคการแก้ไขความซ้ำซ้อนและข้อผิดพลาด โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยการคูณคิวบิตทางกายภาพ ดังนั้น วิศวกรของ Google จึงอ้างว่าอัตราข้อผิดพลาดน้อยกว่า 1% ซึ่งยังคงค่อนข้างเลวร้าย คนอื่นๆ ก็กำลังทำงานอย่างหนักเพื่อปรับปรุงสถานการณ์เช่นกัน“เราคิดว่าเร็วๆ นี้เราจะมีคิวบิตเชิงตรรกะตัวแรก”ประมาณการ Stefan Filipp หัวหน้าผู้เชี่ยวชาญด้านคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ IBM Research Zurich โดยไม่ได้ระบุกำหนดเวลาที่ชัดเจน

แต่แม้ว่าเราจะมีควิบิตลอจิคัลตัวแรกที่เทียบเท่ากัน เราจะต้องเอาชนะการขยายขนาดเพื่อให้สามารถรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีความทนทานต่อข้อผิดพลาดจริงและมีประโยชน์อย่างแท้จริง Intel และ IBM ประมาณการว่าในการบรรลุเป้าหมายนี้ จำเป็นต้องมี... มากกว่าหนึ่งล้านคิวบิตจริง ในระดับนี้ การระบายความร้อนจะกลายเป็นปัญหาอย่างแท้จริง เนื่องจากคิวบิตของตัวนำยิ่งยวดยังมีขนาดค่อนข้างใหญ่ เพียงไม่กี่มิลลิเมตร มิติข้อมูลจึงไม่สามารถจัดการได้

ความหนาแน่นของควิบิตของซิลิคอนทำให้เกิดความหวังใหม่

เมื่อเผชิญกับโอกาสนี้ Intel เพิ่งตัดสินใจลงทุนในเส้นทางเทคโนโลยีที่สอง นั่นก็คือซิลิคอนคิวบิต นี่เป็นประเด็นที่ CEA, บริษัท Silicon Quantum Computing และมหาวิทยาลัยต่างๆ ทั่วโลกกำลังมุ่งเน้นอยู่ด้วย ในกรณีนี้ คิวบิตเกิดขึ้นโดยการหมุนของอิเล็กตรอนที่แช่แข็งในช่องของทรานซิสเตอร์แบบ CMOS เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ จำเป็นต้องแช่เย็นวัสดุให้เหลือประมาณสองสามมิลลิเคลวินอีกครั้ง“แต่เราหวังว่าในที่สุดเราจะสามารถควบคุมอุณหภูมิหนึ่งเคลวินได้”เน้นย้ำโดย Anne มัตสึอุระ ผู้อำนวยการฝ่ายแอปพลิเคชันและสถาปัตยกรรมควอนตัมที่ Intel Labs

ผู้สนับสนุนเทคโนโลยีนี้ต่างพอใจกับความจริงที่ว่าทรานซิสเตอร์เป็นเทคโนโลยีที่เชี่ยวชาญเป็นอย่างดี และมีกระบวนการผลิตและโครงสร้างพื้นฐานอยู่แล้ว สิ่งนี้อาจทำให้การขยายขนาดง่ายขึ้น“ด้วยการใช้ไอโซโทป 28 ของซิลิคอนบริสุทธิ์ เราจึงสามารถได้รับการหมุนทางอิเล็กทรอนิกส์ที่มีการป้องกันค่อนข้างดี ดังนั้นจึงมีเวลาการเชื่อมโยงกันค่อนข้างน่าสนใจ ข้อดีอีกอย่างของซิลิคอนก็คือ เราสามารถใส่ได้มากต่อตารางเซนติเมตร, Maud Vinet หัวหน้าห้องปฏิบัติการบูรณาการส่วนประกอบสำหรับตรรกะที่ CEA/Leti อธิบาย การสร้างและระบายความร้อนหลายล้านคิวบิตจึงอาจไม่ก่อให้เกิดปัญหาใหญ่

ปัญหาอยู่ในขณะนี้คือการจัดการซิลิคอนคิวบิตเหล่านี้ สถิติในพื้นที่นี้จัดขึ้นโดยมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน ซึ่งออกแบบชิปที่มี 2 คิวบิต ที่ CEA เราเพิ่งสาธิตการผลิตและการควบคุมควิบิต วินาทีควรเข้าร่วมกับเขา“ภายในหนึ่งปี”ระบุม็อด Vinet ในส่วนของ Intel ยังไม่ได้ประกาศอะไรเลย

Microsoft กำลังเดิมพันทุกอย่างกับ Majorana fermions

อย่างไรก็ตาม ผู้เล่นเหล่านี้ทั้งหมดอาจถูกแซงหน้าบนเส้นทางควอนตัมโดย Microsoft ซึ่งเลือกใช้เทคโนโลยีที่ใหม่กว่าและแปลกใหม่กว่า กล่าวคือ คิวบิตที่อิงจาก Majorana fermions อนุภาคเหล่านี้เป็นอนุภาคควอนตัมซึ่งตั้งทฤษฎีขึ้นในปี 1937 โดยนักฟิสิกส์ Ettore Majorana และถูกตรวจพบเป็นครั้งแรกในปี 2012 โดยกลุ่มนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย TU Delft เพื่อให้พวกมันปรากฏขึ้น เพียงหยิบสร้อยคออิเล็กตรอนจากลวดตัวนำยิ่งยวดระดับนาโน ปล่อยให้มีที่ว่างไว้ครอบครอง ความมหัศจรรย์ของการซ้อนควอนตัมทำให้ในกรณีนี้สามารถแยกอิเล็กตรอนตัวหนึ่งเพื่อสร้างเฟอร์มิออนสองตัวที่ด้านใดด้านหนึ่งได้

ข้อดีของเฟอร์มิออนคู่ดังกล่าวอยู่ที่โครงสร้างทอพอโลยีซึ่งทำให้สถานะการซ้อนทับมีความเสถียรเป็นพิเศษ และทำให้สามารถจินตนาการถึงเวลาที่สอดคล้องกันในลำดับนาทีได้ ความเร็วในการคำนวณในส่วนของมันจะเทียบเท่ากับความเร็วของตัวนำยิ่งยวดคิวบิต สุดท้ายนี้ ผู้เสนอทอพอโลยีคิวบิตประเมินว่าเทคนิคการแก้ไขข้อผิดพลาดจะมีประสิทธิภาพมากกว่าคิวบิตประเภทอื่นๆ นับพันเท่า

Microsoft ใกล้จะสรุปควิบิตแรกแล้ว มันจะเป็นคำถามเรื่องการคูณพวกมัน“จากมุมมองทางทฤษฎี เราคิดว่าทุกอย่างได้รับการแก้ไขแล้ว เรามีอัลกอริธึม เรามีการออกแบบวงจรควบคุม เรารู้วิธีสร้างเส้นลวดนาโนเมตร ขณะนี้เราอยู่ในขั้นตอนวิศวกรรมและเชื่อว่าเราจะสามารถรับคิวบิตเชิงตรรกะนับร้อยหรือหลายพันได้ในเร็วๆ นี้”ประมาณการ Bernard Ourghanlian ผู้อำนวยการฝ่ายเทคโนโลยีและความปลอดภัยที่ Microsoft France

อาณาจักรกลางคืออาณาจักรโฟตอน

แต่ท้ายที่สุดแล้ว ก็เป็นไปได้ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมเครื่องแรกมาจากที่อื่นโดยสิ้นเชิง จีนยังลงทุนทั้งเวลาและเงินจำนวนมากในด้านนี้ และเพิ่งประกาศกลุ่มวิจัยกลุ่มหนึ่งของพวกเขาการสร้างระบบควอนตัม 18 คิวบิตขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีอื่น ได้แก่ คิวบิตโฟโตนิก ความพิเศษของอย่างหลังผู้สาธิตคือมันใช้โฟตอนเพียงหกโฟตอนเท่านั้น ในความเป็นจริง นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้ประโยชน์จากสถานะควอนตัมที่แตกต่างกันสามสถานะโดยแยกจากกันและสำหรับโฟตอนแต่ละโฟตอน ดังนั้น 18 คิวบิต

และนั่นไม่ใช่ทั้งหมด 18 คิวบิตเหล่านี้ก็จะถึงระดับสูงสุดของความยุ่งเหยิง ซึ่งไม่มีใครสามารถทำได้จนถึงขณะนี้ โดยไม่คำนึงถึงเทคโนโลยีควิบิตที่ใช้ อย่างไรก็ตาม ความพัวพันเป็นคุณสมบัติพื้นฐานในการคำนวณควอนตัม เนื่องจากช่วยให้คิวบิตสามารถเชื่อมโยงถึงกันและดำเนินการคำนวณที่น่าสนใจได้ ไม่ว่าในกรณีใด การวิจัยแนวนี้ไม่ควรมองข้าม เพราะนักฟิสิกส์เป็นผู้นำจัน-เว่ยปานซึ่งเป็นบริษัทแรกที่ประสบความสำเร็จในการสร้างระบบที่ช่วยให้การสื่อสารควอนตัมได้รับการเข้ารหัสเป็นระยะทางหลายพันกิโลเมตร ความสำเร็จที่ไม่มีใครเทียบได้จนถึงทุกวันนี้

กล่าวโดยสรุป ดังที่เราเห็น คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นพื้นที่ที่เต็มไปด้วยความสับสนอลหม่าน มีการวิจัยหลายด้านและนักแสดงแต่ละคนคิดว่าถูกหรือผิดในการพบเส้นทางที่ถูกต้อง แต่ทุกคนก็เห็นพ้องต้องกันในประเด็นหนึ่ง นั่นคือ คอมพิวเตอร์ควอนตัมเครื่องแรกที่คู่ควรกับชื่อนี้จะไม่เห็นแสงสว่างในตอนกลางวันเป็นเวลา 10 ปี

🔴 เพื่อไม่พลาดข่าวสาร 01net ติดตามเราได้ที่Google ข่าวสารetวอทส์แอพพ์-