Bước nhảy lượng tử: Các nhà khoa học của IBM đặt nền móng cho một máy tính lượng tử thực tế, có thể mở rộng

Anonim

Bước nhảy lượng tử: Các nhà khoa học của IBM đặt nền móng cho một máy tính lượng tử thực tế, có thể mở rộng

Tính toán lượng tử

Dario Borghino

Ngày 30 tháng 4 năm 2015

2 hình

Máy tính lượng tử hoạt động đầu tiên giờ đây có thể gần với thực tế hơn nhờ hai tiến bộ quan trọng từ các nhà nghiên cứu tại IBM (Ảnh: IBM)

Các nhà khoa học của IBM đã tiết lộ hai tiến bộ quan trọng trong việc tạo ra một máy tính lượng tử thực tế: một cách hiệu quả để phát hiện và sửa lỗi lượng tử và thiết kế một con chip silicon có thể mở rộng để chứa một số lượng lớn các bit lượng tử vướng víu.

Sức mạnh của điện toán lượng tử

Các bóng bán dẫn trong máy tính cổ điển chỉ có thể thu nhỏ cho đến nay. Thế hệ bóng bán dẫn hiện tại có kích thước 14 nanomet, nghĩa là chỉ có khoảng ba mươi nguyên tử silicon phù hợp giữa bóng bán dẫn 's "source " và "cống, " hai đầu của công tắc điện tử. Một khi con số đó bị giảm xuống chỉ còn khoảng bốn hoặc năm nguyên tử silicon, sự không chắc chắn do các hiệu ứng cơ học lượng tử mang lại sẽ khiến cho việc chuyển đổi như vậy không thể hoạt động bình thường. Các electron sẽ tự phát và nhảy ngẫu nhiên từ đầu này sang đầu kia theo những cách không thể đoán trước, tạo ra dòng điện ngay cả khi tắt công tắc.

Ý tưởng đằng sau máy tính lượng tử - tiên tiến đầu tiên của Richard Feynmann vào năm 1981 - là khai thác các hiệu ứng lượng tử thay vì xem chúng là một trở ngại. Điều này được thực hiện không phải bằng cách xây dựng một bóng bán dẫn tiên tiến hơn, mà thay vào đó bằng cách khai thác tiềm năng lớn hơn nhiều của thông tin lượng tử.

Trong thế giới kỳ lạ và tuyệt vời của điện toán lượng tử, một bit lượng tử, hoặc qubit, có thể giả sử hai giá trị (0 và 1) cùng một lúc. Khi hai hoặc nhiều qubit được liên kết ở trạng thái "vướng víu " đặc biệt, thuộc tính này sẽ mở rộng ra và sức mạnh của các qubit tăng theo cấp số nhân. Mười qubit hoàn toàn vướng víu sẽ có thể lưu trữ nhiều thông tin như 1.024 bit cổ điển; 33 qubit có thể lưu trữ một gigabyte; và 300 qubit vướng víu hoàn toàn sẽ lưu trữ nhiều bit cổ điển như có các nguyên tử trong vũ trụ.

Tuy nhiên, điều quan trọng là, mặc dù thông tin mà các qubit chứa tăng theo cấp số nhân, chúng ta vẫn có thể thao tác nó bằng cách sử dụng một số phép toán là hàm đa thức của số lượng qubit. Nói cách khác - tăng tốc theo cấp số nhân, theo nghĩa rất chính xác.

Một máy tính lượng tử sẽ không nhanh hơn đối với bất kỳ thuật toán nào, nhưng nó sẽ cho thấy sự tăng tốc theo cấp số nhân để tìm kiếm và thao tác dữ liệu lớn, thực hiện mã hóa dữ liệu, phân tích protein để thiết kế thuốc tốt hơn, mô phỏng Vũ trụ ban đầu và dự báo thời tiết chính xác hơn nhiều, trong số nhiều thứ khác.

Qubits là khó khăn

Thành công của chúng tôi trong việc tạo ra một máy tính lượng tử thực tế sẽ phụ thuộc phần lớn vào khả năng của chúng tôi để giữ tất cả các qubit ở trạng thái vướng víu rất tinh vi và sửa chữa các sai lầm một cách hiệu quả và đáng tin cậy.

Dữ liệu được tải xuống từ internet hoặc được lưu trữ trong các ổ đĩa cứng của chúng tôi thông qua các thuật toán phát hiện và sửa lỗi được gọi là "bit flips, " xảy ra khi một bit thay đổi sai giá trị của nó từ 1 thành 0 hoặc ngược lại.

Lỗi xảy ra rất hiếm khi trong các tính toán cổ điển, nhưng chúng là vấn đề cốt lõi của một máy tính lượng tử. Các qubit vướng víu tinh tế hơn nhiều, và có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi những thay đổi nhỏ về nhiệt độ và bức xạ điện từ. Các bit lượng tử cũng bị lật bit, nhưng chúng thêm vào một chiều khác của các lỗi có thể xảy ra, được gọi là "lật pha, " ảnh hưởng đến cách các trạng thái bị vướng víu. Để làm cho mọi thứ trở nên tồi tệ hơn, hành động đọc một qubit để sửa nó sẽ thu gọn trạng thái lượng tử của nó thành 0 hoặc 1.

Cho đến nay, các nhà nghiên cứu chỉ có thể giải quyết một chút lật hoặc lật pha, nhưng không bao giờ cả hai cùng một lúc.

Sửa lỗi

Trong những gì có thể là một tiến bộ rất có ý nghĩa đối với thế giới điện toán lượng tử, các nhà nghiên cứu của IBM hiện đã tìm ra cách phát hiện cả hai loại lỗi lượng tử cùng một lúc và đã chứng minh sự tiến bộ của họ trên một con chip bốn qubit thực tế mà họ đã tạo ra.

Mạch dựa trên một mạng vuông gồm bốn qubit siêu dẫn trên một con chip có kích thước khoảng một phần tư inch (6 mm). Các qubit được chia thành hai qubit dữ liệu, mang thông tin thực tế và hai qubit được gọi là hội chứng ", " độc lập (không vướng víu) và thực hiện kiểm tra lỗi trên hai qubit dữ liệu.

Có một lý do rất chính đáng để các qubit được đặt trong một ma trận. Để các qubit được đọc mà không bị phá hủy, các nhà nghiên cứu đã áp dụng một kỹ thuật sửa lỗi lan truyền thông tin lượng tử trên nhiều qubit, nhưng - đặc biệt - chỉ cho người hàng xóm gần nhất.

Các kỹ thuật sửa lỗi trước đây đã thiết lập các qubit trong một mảng, và do đó chỉ có thể sửa cho các lần lật bit hoặc lật pha, nhưng không thể cả hai. Bố cục ma trận cho phép các qubit có nhiều lân cận hơn, có nghĩa là cả hai loại sửa lỗi có thể diễn ra đồng thời.

Cái gì tiếp theo?

Con chip vuông được thiết kế và sản xuất bằng các kỹ thuật chế tạo silicon tiêu chuẩn và các nhà nghiên cứu nói rằng họ hy vọng họ sẽ có thể hiển thị sửa lỗi hiệu quả ngay cả trên phiên bản mở rộng của chip xử lý nhiều qubit hơn.

Nếu điều này là đúng, thì trở ngại chính còn lại đối với máy tính lượng tử thực tế có thể là tạo ra các bit siêu dẫn đáng tin cậy có tỷ lệ lỗi đủ thấp để kỹ thuật IBM có hiệu quả.

Sự tiến bộ được mô tả trong số ra ngày hôm nay của tạp chí khoa học Nature Communications .

Nguồn: IBM

Máy tính lượng tử hoạt động đầu tiên giờ đây có thể gần với thực tế hơn nhờ hai tiến bộ quan trọng từ các nhà nghiên cứu tại IBM (Ảnh: IBM)

Con chip này được làm từ silicon, được sản xuất với các phương pháp công nghiệp tiêu chuẩn và có thể mở rộng (Ảnh: IBM)