Dalam Foto: Perjalanan ke Pusat Komputer Quantum

Pelayaran yang fantastis ke dalam pekerjaan dari dalam mesin modern mistis.

Jantung berdetak dari komputer kuantum IBM adalah chip yang tidak lebih besar dari seperempat. Mesin -mesin mewah ini berjanji untuk memecahkan masalah sulit yang menabrak komputer klasik terbaik saat ini. Chip itu sendiri hanyalah satu bagian dari teka -teki yang lebih besar. Berbeda dengan laptop portabel yang digunakan orang dalam kehidupan sehari-hari, infrastruktur komputasi yang mendukung pekerjaan yang dilakukan chip kuantum dilapisi seperti boneka Rusia, dengan interkoneksi berbelit-belit dalam alat rube-goldberg.

Namun, bahkan dengan konstruksi yang rumit dan desain yang membingungkan, komputer kuantum masih merupakan mesin yang melakukan operasi dengan menggunakan perangkat keras dan perangkat lunak. Beberapa tindakan itu mirip dengan yang dilakukan oleh komputer klasik. Penasaran untuk memahami bagaimana mereka berfungsi? Sains populer dapat melihat -lihat pusat kuantum di kampus Yorktown, New York IBM. Perhatikan lebih dekat apa yang terjadi di dalam – dimulai dengan sesuatu yang disebut qubit (lebih lanjut tentang apa yang ada dalam sesaat) dan memperbesar, sedikit demi sedikit.

Itu dingin

Untuk menunjukkan kualitas kuantum, benda harus sangat kecil atau sangat dingin. Untuk IBM, struktur seperti lampu gantung berlapis ini, yang terlihat seperti kue pernikahan steampunk emas terbalik, disebut lemari es pengenceran. Itu membuat qubit mereka tetap dingin dan stabil, dan merupakan infrastruktur yang diciptakan perusahaan untuk chip 50-ubit ini. Ini berisi banyak piring yang semakin dingin semakin dekat mereka ke tanah. Setiap pelat adalah suhu yang berbeda, dengan lapisan paling atas duduk pada suhu kamar.

Prosesor kuantum dipasang ke piring kulkas pengenceran terendah, dan terdingin, yang mencapai suhu sekitar 10 hingga 15 mili-kelvin, yang kira-kira –460 derajat F. Tahap pertama pendinginan melibatkan potongan tembaga besar yang terlihat turun ke bawah Di lapisan atas yang terhubung ke kepala dingin sebagai bagian dari cryocooler helium siklus tertutup. Lebih banyak tabung yang masuk ke tingkat yang lebih rendah memperkenalkan siklus tertutup bahan kriogenik lainnya, yang terdiri dari campuran isotop helium.

Di belakang struktur perumahan adalah infrastruktur pendukung tersembunyi untuk lampu gantung. Ini termasuk sistem penanganan gas yang mendukung infrastruktur cryogenic, serta pompa dan monitor suhu. Dan kemudian ada elektronik kontrol klasik yang dibuat khusus. Ketika pengguna menjalankan program melalui layanan cloud kuantum IBM, mereka secara efektif mengatur satu set gerbang dan sirkuit mereka. Mereka yang diubah menjadi pulsa gelombang mikro yang diurutkan dengan tepat, disejajarkan, dan didistribusikan ke dalam sistem untuk mengontrol qubit. Dan pulsa pembacaan mengambil status qubit, yang diterjemahkan kembali ke nilai biner dan dikembalikan ke pengguna.

Komputer klasik mewakili informasi menggunakan bit satu atau nol biner. Dalam kasus kuantum, informasi diwakili melalui qubit, yang dapat datang dalam kombinasi nol dan satu. Ini adalah fenomena yang disebut sebagai superposisi. “Anda memiliki superposisi sepanjang waktu di dunia nyata. Musik adalah superposisi frekuensi, misalnya ”kata Zaira Nazario, pemimpin teknis teori, algoritma, dan aplikasi di IBM Quantum. Karena ini adalah bentuk gelombang, ini memberikan amplitudo nol dan satu. Itu berarti itu datang dengan fase, dan seperti semua gelombang, mereka dapat saling mengganggu.

Qubit superkonduktor duduk di chip dan telah dikemas menjadi sesuatu seperti papan sirkuit cetak. Kabel dan kabel koaksial untuk sinyal input dan output menonjol dari papan sirkuit. Dalam model chip yang lebih tinggi, IBM telah bekerja menuju solusi yang lebih kompak yang melibatkan komponen kabel dan terintegrasi agar lebih efisien dengan ruang. Memiliki lebih sedikit kekacauan berarti bahwa komponen akan lebih mudah untuk didinginkan. Saat ini, dibutuhkan sekitar 48 jam untuk sepenuhnya mendinginkan komputer kuantum ke suhu yang diinginkan.

Agar komputer kuantum berfungsi dengan benar, masing -masing pelat harus terlindung secara termal dan diisolasi untuk mencegah radiasi tubuh hitam yang memengaruhinya. Insinyur Vakum-Seal Seluruh perangkat untuk menjaga foton yang tidak diinginkan serta radiasi elektromagnetik lainnya dan medan magnet.

Qubit dikendalikan dengan sinyal gelombang mikro yang berkisar antara 4 hingga 7 gigahertz. Elektronik klasik menghasilkan pulsa gelombang mikro yang menempuh kabel untuk membawa sinyal input ke chip dan membawa sinyal output kembali. Saat sinyal berjalan menuruni lampu gantung, ia melewati komponen seperti filter, attenuator, dan amplifier.

IBM sebagian besar bekerja dengan qubit superkonduktor. Mereka adalah potongan -potongan kecil logam yang duduk di wafer, yang digunakan untuk membuat chip. Logam terdiri dari bahan superkonduktor seperti niobium, aluminium, dan tantalum. Persimpangan Josephson, dibuat dengan melapisi isolator yang sangat tipis antara dua bahan superkonduktor, menyediakan elemen nonlinier penting yang diperlukan untuk mengubah sirkuit superkonduktor menjadi qubit.

“Apa yang kami bangun adalah contoh kuantum osilator,” kata Jerry Chow, direktur infrastruktur kuantum di IBM. Osilator mengubah arus searah dari sumber daya (dalam hal ini, foton gelombang mikro) menjadi arus bolak -balik, atau gelombang.

Tidak seperti osilator harmonik yang khas, osilator nonlinier memberi Anda jarak tingkat energi yang tidak setara, kata Chow. “Ketika Anda memilikinya, Anda dapat mengisolasi dua terendah untuk bertindak sebagai kuantum nol dan kuantum Anda.”

Pikirkan atom hidrogen. Dari sudut pandang fisika, ia memiliki seperangkat tingkat energi. Panjang gelombang cahaya yang tepat mengenai atom ini dapat mempromosikannya ke negara bagian yang berbeda. Ketika gelombang mikro mencapai qubit, ia melakukan hal serupa. “Anda secara efektif memiliki atom buatan ini,” Chow menjelaskan. “Kami memiliki quantum energi, yang kami pindahkan dengan menempatkan jumlah foton gelombang mikro yang tepat pada pulsa tertentu untuk durasi tertentu untuk menggairahkan atau menghilangkan quantum energi dalam osilator microwave nonlinier ini.”

Di komputer klasik, ada on-state (satu), dan off-state (nol). Untuk komputer kuantum, negara-negara adalah keadaan dasar atom buatan. Menambahkan pulsa foton energi microwave tertentu akan menggairahkannya, mempromosikannya menjadi satu. Jika qubit dipukul lagi dengan denyut nadi itu, itu akan dibawa kembali ke keadaan dasar. Katakanlah dibutuhkan 5 gigahertz selama 20 nanodetik untuk mempromosikan qubit sepenuhnya ke keadaan tereksitasi – jika Anda harus membagi dua energi atau membagi dua jumlah waktu, Anda benar -benar akan menggerakkan status superposisi, kata Chow. Itu berarti jika Anda mengukur keadaan qubit dengan resonator, Anda akan memiliki peluang 50 persen karena berada di nol, dan 50 persen peluangnya berada di satu.

Pengguna dapat bermain -main dengan elemen sirkuit, frekuensi pulsa, durasi, dan energi antara qubit yang berbeda untuk memasangkannya, menukarnya, atau melakukan operasi bersyarat seperti membangun keadaan terjerat dan menggabungkan operasi qubit tunggal untuk melakukan perhitungan universal di seluruh perangkat. Saat gelombang berpotongan, ia dapat memperkuat atau mendekonstruksi pesan.

Untuk apa qubit itu bagus?

Penggunaan praktis untuk komputer kuantum telah berkembang selama beberapa tahun terakhir. “Jika saya melihat apa yang orang lakukan dengan sistem di tahun 2016, 2017, 2018 jangka waktu, itu menggunakan kuantum untuk meneliti kuantum … fisika materi yang kental, fisika partikel, hal -hal seperti itu,” kata Katie Pizzolato, Direktur Strategi dan Aplikasi Penelitian di IBM Quantum. “Bagian penting dari ini adalah mengambil sumber daya klasik dan membuatnya sadar kuantum. Kita harus membuat orang -orang yang ahli di bidangnya memahami di mana untuk menerapkan kuantum, tetapi tidak menjadi ahli kuantum. ”

Minat IBM telah melihat dalam hal masalah kuantum yang ditimbulkan pada mesin mereka dapat dikelompokkan menjadi tiga ember: kimia dan bahan, pembelajaran mesin, dan optimisasi (menemukan solusi terbaik untuk masalah dari serangkaian opsi yang mungkin). Kuncinya bukan untuk menggunakan komputer kuantum di setiap bagian masalah – tetapi pada bagian -bagian yang paling sulit.

Tim di IBM terus mencari masalah dunia nyata yang sulit dipecahkan oleh komputer klasik karena struktur atau matematika yang mereka libatkan. Dan ada banyak tempat menarik untuk mencarinya.

Komputer klasik memecahkan masalah matematika dasar menggunakan logika biner dan komponen sirkuit seperti adders. Namun, komputer kuantum benar -benar hebat dalam melakukan aljabar linier – matriks yang bermulukan, dan mewakili vektor di ruang angkasa. Ini karena fitur unik dalam desainnya. Hal ini memungkinkan mereka untuk melakukan fungsi seperti anjak piutang relatif mudah – masalah yang sangat sulit bagi komputer klasik karena peningkatan jumlah variabel dan parameter yang meningkat secara eksponensial dan interaksi di antara mereka. “Ada struktur dalam masalah anjak piutang yang memungkinkan Anda untuk mengambil keuntungan dari keterikatan, semua hal yang Anda dapatkan dengan perangkat ini. Itu sebabnya berbeda, “kata Pizzolato.

Dan dengan masalah kimia dan bahan, qubit lebih baik dalam mensimulasikan sifat seperti ikatan dan elektron yang terhubung.

“Kami sedang memikirkan hal -hal apa yang dapat Anda petakan ke sirkuit kuantum yang tidak dapat disimulasikan secara klasik, dan kemudian apa yang Anda lakukan dengannya,” kata Pizzolato. “Banyak diskusi algoritma adalah bagaimana saya mengeksploitasi mekanisme yang mendasari perangkat ini. Bagaimana Anda memetakan di ruang dimensi yang lebih tinggi dan bagaimana Anda menggunakan koordinasi ini dan multiplikasi matriks ini untuk bangkit jawaban yang Anda inginkan. ”

Ingat, qubit dapat memiliki nilai nol, satu, atau kombinasi keduanya. Karena qubit adalah bentuk gelombang, insinyur dapat memutar nol atau satu untuk memberikan amplitudo negatif. Qubit juga bisa terjerat – properti mekanika kuantum unik yang tidak memiliki analog klasik. Qubit yang terjerat dapat berisi informasi tidak hanya dalam nol dan yang sendiri, tetapi juga dalam interaksi di antara mereka. Juga, ada gerbang dalam sirkuit kuantum yang dapat memutar qubit untuk mengubah fase, dan osilator dapat melibatkan qubit tersebut.

“Seni melakukan algoritma kuantum adalah bagaimana Anda memanipulasi semua negara yang terjerat itu dan kemudian ikut campur dengan cara yang tidak benar oleh amplitudo yang salah, dan amplitudo dari yang benar maju, dan Anda mendapatkan jawaban Anda,” kata Nazario. “Anda memiliki lebih banyak ruang untuk bermanuver dalam algoritma kuantum karena semua keadaan terjerat ini dan gangguan ini dibandingkan dengan algoritma yang hanya memungkinkan Anda untuk membalik antara nol dan satu.”

Qiskit, kit pengembangan sumber terbuka IBM untuk komputer kuantum, berisi informasi tentang berbagai jenis algoritma dan program kuantum di berbagai tingkat detail.

Contoh dunia nyata

Masih merasa sulit untuk memvisualisasikan apa yang dilakukan Qubit? Mari kita perbesar ke beberapa contoh bagaimana mitra IBM menggunakan komputer kuantum. Misalnya, perusahaan biofarmasi Amgen ingin menggunakan komputer kuantum dan pembelajaran mesin untuk memprediksi pasien yang paling cocok untuk uji coba obat berdasarkan catatan kesehatan dan faktor -faktor lainnya.

Dan Boeing menerapkan komputasi kuantum untuk menganalisis koefisien korosi pada pesawat terbang. Sayap pesawat membutuhkan kepadatan bahan tertentu. Insinyur membuatnya dengan lapisan berbagai bahan, tetapi perlu bantuan mencari tahu bagaimana mereka harus mengatur lapisan dengan cara yang membuat sayap lebih kuat, lebih murah, dan lebih ringan. Ini bermuara pada masalah optimisasi kombinatorial.

Goldman Sachs telah menggunakannya untuk harga opsi. “Ini adalah operasi yang sangat kompleks yang sangat mahal secara komputasi. Dan mereka memiliki distribusi yang kompleks ”kata Nazario. Ini berkaitan dengan menghitung turunan dari variasi dalam opsi tersebut (operasi aljabar linier), yang akan memberi tahu mereka tentang risiko.

Akhirnya, dalam ilmu alam, kelompok penelitian telah tertarik menggunakan komputer kuantum untuk mempelajari fotosintesis.

Membangun secara paralel

Meskipun IBM terus meningkatkan ukuran prosesor untuk komputer kuantumnya, dan membangun komunitas mitra dari industri, pusat pemerintah nasional, dan lembaga akademik, perusahaan masih mencari cara terbaik untuk bergerak maju baik dengan perangkat keras maupun perangkat lunak.

Perusahaan sebelumnya mengatakan bahwa mereka akan memiliki mesin yang mampu menguntungkan kuantum (di mana ia dapat secara andal dan akurat memecahkan masalah lebih baik daripada komputer klasik) yang siap pada tahun 2025. Itu berarti bahwa selain mengembangkan komponen baru, perlu setrika Keluar beberapa bidang masalah, dan buat apa yang sudah bekerja dengan baik, lebih efisien.

“Ini adalah bagian besar dari fokus perangkat lunak. Kami telah menyadari bahwa banyak alat, alat mitigasi kesalahan, orkestrasi cerdas, gagasan rajutan sirkuit, bagaimana kita memecah masalah untuk memperpanjang apa yang dapat kita lakukan pada komputer kuantum, ini menjadi lebih banyak lagi produktif dalam cara kita dapat mendorong teknologi,”kata Pizzolato.

source