Gündem

Kapana kısılmış iyonları temel alan kuantum bilgisayar

0

Tuzaklanmış atom iyonlarına dayalı kuantum hesaplama, kuantum bilgi işlemede lider bir donanım platformu olduğunu şimdiden kanıtladı. Aslında, tuzaklanmış iyonlar, herhangi bir donanım platformunun en küçük kuantum hesaplama hatalarına sahip olan kuantum bilgisayarların temel yapı taşları olan kuantum kapılarını gerçekleştirmek için kullanılmıştır.1,2. Yaklaşım ayrıca, ultra düşük (millikelvin) sıcaklıklara kadar soğutma gerektirmeyen pratik makinelerin yapılmasına izin verebileceği için öne çıkıyor. Bununla birlikte, binlerce kuantum bitine (kübite) kadar ölçeklenebilen kuantum hesaplama mimarilerinin birkaç kapsamlı gösterimi yapılmıştır. Yazma Doğa, Pino ve diğerleri.3 İyon aktarımına dayalı gelecek vaat eden bir mimari içeren prototip mikroçip tabanlı, tuzağa düşürülmüş iyon kuantum bilgisayarın yapımını ve çalışmasını rapor edin.

Kuantum hesaplama kavramı, Albert Einstein’ın ürkütücü olarak adlandırdığı karşı-sezgisel öngörüleri olan kuantum fiziğinin garip fenomenlerine dayanır. Kuantum bilgisayarlar, en hızlı geleneksel süper bilgisayarda çalıştırmak için milyonlarca yıl sürebilecek hesaplamaları saatler hatta dakikalar içinde gerçekleştirmeyi vaat ediyor. Milyonlarca kübit içeren tam ölçekli kuantum bilgisayarların, kimyasal reaksiyonları simüle etmekten ve ilaçların geliştirilmesine yardımcı olmaktan finans ve makine öğrenimindeki yıkıcı uygulamalara kadar neredeyse her sektörde dönüştürücü kullanımları olacaktır. Bununla birlikte, bu tür makinelerin yapımı, muazzam zorluklardan dolayı bilimin kutsal bir kasesi olarak görülmüştür.

Pratik kuantum bilgisayarları oluşturmak için en umut verici iki yaklaşım, süper iletken devrelere dayanmaktadır.4 ve hapsolmuş iyonlar. Süper iletken kübitlerin belirgin bir avantajı, temelde çip tabanlı olmalarıdır. Bununla birlikte, çalışma prensipleri millikelvin sıcaklıklarına kadar soğutmaya dayanır. Bu kadar düşük sıcaklıklarda elde edilebilecek maksimum soğutma gücü çok düşüktür. Bu, büyük cihazların soğutulmasını zorlaştırarak, makinelerin milyonlarca kübit tutacak kadar büyük boyutlara ölçeklenmesini zorlaştırır.

Buna karşılık, hapsedilmiş iyonlar, hesaplamaları yapmak için kullanılan kuantum kapılarının çalışmasında meydana gelen hataları azaltmada dünya rekorları kırdı.1,2, ancak birçok gösteri çip tabanlı değildir veya yalnızca 2-15 kübit ile gerçekleştirilmiştir. Tuzağa düşürülmüş iyon kuantum hesaplama için bir sonraki önemli adım, binlerce hatta milyonlarca kübite ölçeklendirmeyi sağlayan mimarilerin pratik gösterimidir.

Pino ve meslektaşlarının makalesi, prototip mikroçip tabanlı, tuzağa düşürülmüş iyon kuantum bilgisayarın gerçekleştirilmesini anlatıyor. Bir şekilde Pac-Man video oyununu anımsatan bildirilen mimaride, iyonlar mikroçip yüzeyinin üzerinde gezinir ve çip yüzeyinde bulunan elektrotlara uygulanan voltajların ayarlanmasıyla izler boyunca hareket ettirilir (Şekil 1). Yük bağlı cihaz (CCD) dizileri olarak bilinen mikroçiplere benzerliğinden dolayı, bu tasarıma kuantum-CCD mimarisi adı verilmiştir.5,6. Yazarların kuantum bilgisayarı bu tasarımın ilk gerçekleştirilmesi değil, ancak şimdiye kadarki en gelişmiş uygulama. Farklı bir tuzak iyon mimarisi halihazırda alternatif bir mikroçip tabanlı kuantum bilgisayarda gösterilmişti; burada lazer ışınları, tuzaklanmış sabit iyonlar zincirindeki tek tek iyonların iç durumunu manipüle ediyor.7.

Şekil 1

Şekil 1 | İyon hareketine dayalı kuantum hesaplama mimarisi. Kuantum yükü bağlı cihaz (CCD) mimarisi olarak bilinen bir bilgi işlem platformunda, atomik iyonlar bir mikroçipin yüzeyinin üzerinde gezinir. Bu iyonlar, çipin yüzeyinde bulunan elektrotlara (izlerde olmayan gri çizgiler) uygulanan voltajları değiştirerek raylar boyunca taşınır. Kuantum hesaplamaları, kuantum kapıları adı verilen (gösterilmemiştir) diğer işlemlerle iç içe geçmiş bu tür iyon taşıma işlemlerinin bir dizisinden oluşur. Pino et al.3 bu kuantum-CCD tasarımına göre bir kuantum bilgisayar inşa etti.

Kuantum bilgisayarlar genellikle kaç kübit barındırabilecekleri ile karakterize edilir. Kaçınılmaz hataları düzeltme yeteneği olmadan, kullanılabilir kübitlerin sayısı hem bireysel hataların büyüklüğü hem de sistemdeki tüm hataların birikimi ile sınırlıdır. Kuantum hacmi olarak bilinen bir parametre, genel sistem performansına bağlı olarak bir makinenin kaç tane kullanılabilir kübit içerdiğinin bir ölçüsünü sağlar. Pino et al. cihazlarının kuantum hacminin 64 olduğunu belirledi, bu da 6 kubite kadar kullanarak genelleştirilmiş hesaplamalar yapabileceği anlamına geliyor. Prensip olarak, kuantum-CCD tasarımına göre oluşturulmuş tek bir kuantum hesaplama modülü yüzlerce veya hatta binlerce kullanılabilir kübit tutabilir. Bu nedenle, modüler bir yaklaşım kullanarak bu mimariyi milyon kübitlik bir makineye yükseltmek mümkün olmalıdır.8.

Yazarlar ayrıca kuantum-CCD mimarisini oluşturan eksiksiz bir özellik araç kutusu gösterdiler. Bu özellikler, çok çeşitli iyon taşıma operasyonları, paralel çalışma bölgeleri ve sempatik soğutma adı verilen bir mekanizmayı içerir; bu sayede kübit görevi gören bir iyon, kübitin kuantumu taşıyan iç durumunu korumak için farklı bir elementin bir iyonu tarafından soğutulur. bilgi.

Pino ve meslektaşlarının çalışmaları etkileyici bir başarı oluşturuyor ve yine lider bir donanım platformu olarak tuzağa düşürülmüş iyon kuantum hesaplamanın çağının gelişini gösteriyor. Bununla birlikte, en heyecan verici gerçek dünya sorunlarından bazılarının üstesinden gelebilen kuantum bilgisayarların milyonlarca kübite ev sahipliği yapması gerekecektir. Tuzak iyon teknolojisi, oda sıcaklığında çalıştığı veya yalnızca makul bir soğutma gerektirdiği için ölçek büyütme için çok uygun olsa da, bu tür ölçeklendirme yenilikçi fikirler gerektirir.

Mevcut makalede, kuantum geçitlerinin yürütülmesi, dikkatlice hizalanması gereken lazer ışınları kullanılarak gerçekleştiriliyor ve milyonlarca kübite ölçekleme düşünüldüğünde önemli bir mühendislik zorluğu ortaya çıkıyor. Diğer bir umut verici yaklaşım, mikroçipe voltaj uygulayarak kuantum kapılarının uygulanmasına izin veren mikrodalga teknolojisini kullanmaktır.9. Alternatif olarak, iyonların ilgili lazer ışınlarıyla etkileşimi, mikroçipte dalga kılavuzları adı verilen yapılar kullanılarak kolaylaştırılabilir.10.

Kuşkusuz, tuzak iyon kuantum hesaplama alanı, kuantum hesaplamaları için gerekli olan temel fiziği göstermekten, çalışan bir bilgisayarın gerçekleştirilmesiyle ilgili zor mühendislik problemlerini ele almaya bir geçiş yaşıyor. Bu sorunların çözümleri, birçok endüstri sektöründe dönüştürücü etkilere sahip olacak kuantum bilgisayarların inşasını mümkün kılacaktır. Aslında bu süreç, milyonlarca hatta milyarlarca kübit barındıran kuantum bilgisayarların nasıl oluşturulacağına dair bir planın oluşturulmasıyla başladı.8. Daha önce bilim kurgu dünyasına ait olduğu düşünülen makineleri inşa etme yolunda fantastik bir yolculuğun başındayız.

Finansal Çıkarlarla Rekabet Etmek

Yazar, tuzağa düşürülmüş iyon kuantum bilgisayarları geliştiren bir şirkette hisse sahibidir ve Pino ve meslektaşları tarafından tarif edilenden farklı bir yaklaşım kullansa da kısmen bu şirkette görevlendirilmiştir.

Profesör

Isıtma, elektronları bükülmüş iki tabakalı grafende dondurur

Previous article

Uzun sesli okuma: Robo yazarların yükselişi

Next article

You may also like

Comments

Comments are closed.

More in Gündem