Ivan H. Deutsch는 20 년 이상 작동하는 양자 컴퓨터의 내장을 설계하기 위해 고군분투했습니다. 그는 혼자가 아니었다. 양자 이상의 계산 능력을 활용하려는 노력은 전 세계 수백 명의 연구원을 계속 차지하고 있습니다. 왜 그들의 일을 보여줄 것이 더 많지 않았습니까? 물리학 자들이 양자 컴퓨팅의 시작 이후 알고 있듯이, 양자 컴퓨팅을 기하 급수적으로 강력하게 만드는 것과 동일한 특성으로 인해 제어하기가 어렵습니다. 양자 컴퓨팅 "악몽"은 항상 Quantum 컴퓨터의 속도 장점이 기계의 복잡성에 의해 지워질 것이라는 것이 었습니다.
그러나 진보는 두 가지 주요 전선에 도착하고 있습니다. 첫째, 연구원들은 양자 프로세서를 계산에 필요한 시간 동안 운영하고 실행하는 데 도움이되는 고유 한 양자 오류 수정 기술을 개발하고 있습니다. 둘째, 물리학 자들은 소위 아날로그 양자 시뮬레이터와 협력하고 있습니다. 이는 일반적인 목적 컴퓨터처럼 작동 할 수 없지만 양자 물리학의 특정 문제를 탐색하도록 설계되었습니다. 고전적인 컴퓨터는 단지 100 개의 원자에 대한 양자 운동 방정식을 계산하기 위해 수천 년 동안 실행해야합니다. 양자 시뮬레이터는 1 초 이내에 수행 할 수 있습니다.
Quanta Magazine은 Deutsch와 현장의 최근 진전, 가까운 미래에 대한 그의 희망 및 뉴 멕시코 대학의 양자 정보 센터에서 이진 양자 비트를 기본 16 자리로 확장하는 데 대한 제어에 대해 Deutsch와 이야기했습니다.
.Quanta Magazine :왜 보편적 인 양자 기계가 고유 한 힘이 될까요 ful?
IVAN DEUTSCH :클래식 컴퓨터에서 정보는 0 또는 1으로 코딩 된 검색 가능한 비트로 저장됩니다. 그러나 양자 컴퓨터에는 기본 입자가 0 및 로 코딩 될 수있는 중첩이라는 확률 림보에 거주합니다. 1.
마법은 다음과 같습니다. 각 큐 비트는 기계의 다른 큐빗과 얽매일 수 있습니다. 양자 "상태"의 얽힌 송은 기하 급수적으로 0과 1의 수를 증가시킨다. 양자 논리의 힘을 활용할 수있는 기계는 가장 강력한 고전적인 컴퓨터보다 기하 급수적으로 더 많은 복잡성을 다룰 수 있습니다. 최첨단 고전적인 컴퓨터를 취할 수있는 문제는 우주의 시대가 이론적으로는 몇 시간 안에 보편적 양자 컴퓨터에 의해 해결 될 수 있습니다.
양자 컴퓨팅“악몽”은 무엇입니까?
양자 컴퓨터를 매우 빠르게 만드는 동일한 양자 효과로 인해 작동하기가 매우 어렵습니다. 처음부터 시스템이 충돌하지 않도록 보호하는 데 필요한 지수 복잡성에 의해 양자 컴퓨터가 제공하는 지수 속도가 취소 될지 여부는 명확하지 않았습니다.
상황은 희망이 없습니까?
별말씀을요. 우리는 이제 보편적 양자 컴퓨터가 설계에 지수 복잡성이 필요하지 않다는 것을 알고 있습니다. 그러나 여전히 매우 어렵습니다.
그래서 문제는 무엇이며 어떻게 우리가 주변을 돌아 다니나요?
하드웨어 문제는 중첩이 매우 깨지기 때문에 단일 큐 비트와 직접 주변 환경을 구성하는 분자의 무작위 상호 작용이 얽힌 큐 비트의 전체 네트워크가 삭제되거나 붕괴 될 수 있다는 것입니다. 각 큐 비트가 단일 값을 보유한 디지털화 된 클래식 비트로 변환함에 따라 진행중인 계산이 파괴됩니다. 0 또는 1.
클래식 컴퓨터에서는 시스템에 많은 중복성을 설계하여 피할 수없는 정보 손실을 줄입니다. 오류 수정 알고리즘은 출력의 여러 사본을 비교합니다. 가장 빈번한 답변을 선택하고 나머지 데이터를 노이즈로 버립니다. 양자 컴퓨터로는 그렇게 할 수 없습니다. 큐브트를 직접 비교하려고 시도하면 프로그램이 충돌하기 때문입니다. 그러나 우리는 점차적으로 얽힌 큐브 시스템을 무너지지 않도록하는 방법을 배우고 있습니다.
내 마음에 큰 장애물은 계산이 최종 판독 값을 향해 진행될 때 데이터가 손상되지 않도록 오류 수정 소프트웨어를 생성하는 것입니다. 가장 큰 요령은 데이터가 아닌 오류 만 측정하는 알고리즘을 설계하고 구현하는 것입니다. 따라서 정답이 포함 된 중첩을 보존하는 것입니다.
.악몽이 끝날까요?
오류 수정 기술 자체가 오류를 도입 한 것으로 나타났습니다. Quantum Computing에서 가장 큰 발전 중 하나는 이론적으로 100 % 정밀도를 요구하지 않고 새로운 오류를 수정할 수 있으며, 경미한 배경 노이즈가 계산을 올릴 때 계산을 오염시킬 수 있음을 인식하는 것이 었습니다. 우리는 실제로 이것을 할 수 없습니다. 우리가 작동하는 범용 양자 컴퓨터를 가지고 있지 않은 주된 이유는 우리가 여전히 그러한 "결함-불변"알고리즘을 양자 회로에 이식하는 방법을 실험하고 있기 때문입니다. 지금 우리는 10 개의 큐브를 합리적으로 잘 통제 할 수 있습니다. 그러나 내 지식으로는 보편적 인 기계를 구성하는 데 필요한 수천 개의 큐빗을 제어 할 수있는 오류 수정 기술이 없습니다.
그게 당신이 작업중 인 것입니까?
갇힌 원자의 정보 처리 기능을 연구합니다. 애리조나 대학교 (University of Arizona)의 저의 동료 인 Poul Jessen과 나는 이진 기반 큐브를 넘어 논리적 힘을 밀고 있습니다. 예를 들어, 16 가지 에너지 수준으로 원자의 중첩을 제어 할 수 있다면 어떻게해야합니까? 기본 16을 사용하여 "qudit"이라고 부르는 것을 단일 원자에 저장할 수 있습니다. 그것은 우리를 Base 2 시스템 인 Quit에 의해 얻을 수있는 정보 처리 속도를 넘어 우리를 움직일 것입니다.
우리는 어떤 다른 옵션을 가지고 있습니까?
비 대학교 기계를 만드는 데 사용할 수있는 중요한 응용 프로그램이있을 수 있습니다 :특별한 목적, 아날로그 양자 시뮬레이터는 실내 온도 초전도체의 작동 방식 또는 특정 단백질이 접힌 방법과 같은 특정 문제를 해결하도록 설계되었습니다.
이 실제로 컴퓨터입니까?
그들은 모든 유형의 질문을 해결할 수있는 보편적 인 기계가 아닙니다. 그러나 전 세계 기후 변화를 모델링하고 싶다고 말합니다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 수학적 모델을 작성한 다음 디지털 컴퓨터에서 방정식을 해결하는 것입니다. 그것은 일반적으로 기후 과학자들이하는 일입니다. 또 다른 방법은 통제 가능한 실험에서 지구 기후의 일부 측면을 시뮬레이션하는 것입니다. 예를 들어 탱크의 질소, 산소 및 수소를 혼합하려는 시스템과 동일한 운동 법칙을 준수하는 간단한 물리적 시스템을 만들 수 있습니다. 탱크 내부에서 진행되는 것은 특정 조건에서 대기 난기류에 대해 알려주는 실제 계산입니다.
아날로그 양자 시뮬레이터와 동일합니다. 하나의 제어 가능한 물리 시스템을 사용하여 다른 하나를 시뮬레이션합니다. 예를 들어, 이러한 장치로 초전도체를 성공적으로 시뮬레이션하면 고온 초전도의 양자 역학이 나타납니다. 이로 인해 덜 덜 대 한 Quantum 회로를 구축하는 것을 포함하여 많은 용도로 비 섬광 초전도 재료의 제조로 이어질 수 있습니다. 바라건대, 우리는 아날로그 시뮬레이터를 실험하여 강력한 범용 디지털 컴퓨터를 구축하는 방법을 배울 수 있기를 바랍니다.
누구나 작동하는 아날로그 양자 시뮬레이터를 구축 한 사람이 있습니까?
2002 년 독일의 Max Planck Institute의 그룹은 광으로 만든 슈퍼 냉각 계란 상자 인 광학 격자를 만들었고 레이저 빔의 다양한 강도를 펄럭이면서 제어했습니다. 이것은 양자 기계적 운동 방정식에 순종하도록 설계된 기본적으로 아날로그 장치였습니다. 단편은 원자가 슈퍼 플루이드 또는 절연체 사이에서 원자가 어떻게 전이하는지 성공적으로 시뮬레이션했다는 것입니다. 이 실험은 광학 격자 및 콜드 원자 트랩으로 아날로그 양자 컴퓨팅에 대한 많은 연구를 촉발 시켰습니다.
이 양자 시뮬레이터의 주요 과제는 무엇입니까?
아날로그 시뮬레이션의 진화가 디지털화되지 않기 때문에 소프트웨어는 범용 머신에서 오류 수정 노이즈를 수정할 수 있으므로 계산 중에 축적되는 작은 오류를 수정할 수 없습니다. 아날로그 장치는 디지털 오류 수정에 의지하지 않고 시뮬레이션이 코스를 실행할 수있을 정도로 양자 중첩을 손상되지 않아야합니다. 이것은 양자 시뮬레이션에 대한 아날로그 접근법에 대한 특별한 도전입니다.
D-wave 기계는 양자 시뮬레이터입니까?
D-wave 프로토 타입은 보편적 인 양자 컴퓨터가 아닙니다. 디지털이 아니거나 오류 수정이 아니며 결함이 아닙니다. 특정 최적화 문제를 해결하도록 설계된 순전히 아날로그 머신입니다. 양자 장치로 자격이 있는지는 확실하지 않습니다.
평생 동안 확장 가능한 양자 컴퓨터를 배치합니까?
우리는 악몽을 넘어서고 있습니다. 전 세계적으로 많은 대학 기반 실험실은 결함 허용 오류의 도로 블록을 제거하거나 우회하기 위해 열심히 노력하고 있습니다. 학계 연구원들은 지적으로 길을 이끌고 있습니다. 예를 들어, Yale의 Rob Schoelkopf와 Michel H. Devoret의 그룹은 결함에 근접한 초전도 기술을 복용하고 있습니다.
그러나 작동하는 보편적 인 디지털 양자 컴퓨터를 구성하려면 산업 규모의 자원을 동원해야 할 것입니다. 이를 위해 IBM은 Yale 그룹의 직원과 함께 초전도 회로로 양자 컴퓨팅을 탐색하고 있습니다. 구글은 산타 바바라 (Santa Barbara) 캘리포니아 대학교 (University of California)의 존 마티니 (John Martinis) 실험실과 협력하고있다. HRL Laboratories는 실리콘 기반 양자 컴퓨팅을 진행하고 있습니다. 록히드 마틴은 이온 트랩을 탐험하고 있습니다. 그리고 국가 안보국이 무엇을하는지 아는 사람.
그러나 일반적으로 학문적 실험실에서는 이러한 산업 규모의 자원이 없으면 과학자들은 아날로그 양자 시뮬레이터를 제어하는 방법에 점점 더 집중하고 있습니다. 그 분야에서 단기적인 과일이 있습니다-지적 및 학업 통화 :출판 가능한 논문.
아날로그에 정착 할 의향이 있습니까?
나는 디지털 접근법을 완전한 힘으로 추구하는 것을 좋아합니다. 내가 죽기 전에, 나는 무기한 오류가 수정 될 수있는 하나의 보편적 인 논리 큐 비트를보고 싶습니다. 물론 정부에 의해 즉시 분류 될 것입니다. 그러나 나는 꿈을 꾸고있다.
