Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy

Recommended Posts

Badacze IBM-a postawili sobie ambitny cel. Chcą co roku dwukrotnie zwiększać wydajność komputerów kwantowych tak, by w końcu były one szybsze lub bardziej wydajne niż komputery klasyczne. Podczas tegorocznych targów CES IBM pokazał przełomowe urządzenie: IBM Q System One, pierwszy komputer kwantowy, który ma być gotowy do komercyjnego użytku.

Celem IBM-a jest coś, co nazywają „Quantum Advantage” (Kwantowa przewaga). Zgodnie z tym założeniem komputery kwantowe mają zyskać „znaczną” przewagę nad komputerami klasycznymi. Przez „znaczną” rozumie się tutaj system, który albo będzie setki lub tysiące razy szybszy od komputerów kwantowych, albo będzie wykorzystywał niewielki ułamek pamięci potrzebny maszynom kwantowym lub też będzie w stanie wykonać zadania, jakich klasyczne komputery wykonać nie są.
Wydajność komputera kwantowego można opisać albo za pomocą tego, jak sprawują się poszczególne kubity (kwantowe bity), albo też jako ogólną wydajność całego systemu.

IBM poinformował, że Q System One może pochwalić się jednym z najniższych odsetków błędów, jakie kiedykolwiek zmierzono. Średni odsetek błędów na dwukubitowej bramce logicznej wynosi mniej niż 2%, a najlepszy zmierzony wynik to mniej niż 1%. Ponadto system ten jest bliski fizycznemu limitowi czasów koherencji, który w w przypadku Q System One wyniósł średnio 73 ms.To oznacza, że błędy wprowadzane przez działanie urządzenia są dość małe i zbliżamy się do osiągnięcia minimalnego możliwego odsetka błędów, oświadczyli badacze IBM-a.

Błękitny Gigant stworzył też Quantum Volume, system pomiaru wydajności komputera kwantowego jako całości. Bierze on pod uwagę zarówno błędy na bramkach, błędyh pomiarów czy wydajność kompilatora. Jeśli chcemy osiągnąć Quantum Advantage w latach 20. XXI wieku, to każdego roku wartość Quantum Volume musi się co najmniej podwajać, stwierdzili badacze. Na razie udaje im się osiągnąć cel. Wydajność pięciokubitowego systemu Tenerife z 2017 roku wynosiła 4. W 2018 roku 20-kubitowy system IBM Q osiągnął w teście Quantum Volume wynik 8. Najnowszy zaś Q System One nieco przekroczył 16.

Sądzimy, że obecnie przyszłość komputerów to przyszłość komputerów kwantowych, mówią specjaliści z IBM-a.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Prace międzynarodowej grupy badawczej, na czele której stali specjaliści ze Skołkowskiego Instytutu Nauki i Technologii (Skoltech) w Moskwie oraz IBM-a zaowocowały powstaniem energooszczędnego superszybkiego przełącznika optycznego. Urządzenie nie wymaga chłodzenia, a jednocześnie jest ponad 100-krotnie szybsze od najszybszych współczesnych tranzystorów.
      Tym, co czyni to urządzenie tak bardzo energooszczędnym jest fakt, że do przełączenia stanu potrzebuje zaledwie kilku fotonów, mówi główny autor badań Anton Zasiedatieliew. W laboratorium udało się nam go przełączać za pomocą pojedynczego fotonu. I to w temperaturze pokojowej. Jednak minie sporo czasu, zanim taka technologia będzie mogła trafić do procesorów optycznych, dodaje profesor Pawlos Lagudakis.
      Możliwość przełączania za pomocą pojedynczego fotonu oznacza, że układ jest niezwykle energooszczędny i zostało niewiele miejsca na jego dalsze udoskonalenie. Oczywiście musimy przy tym pamiętać, że obecnie działa to jedynie w wyspecjalizowanym laboratorium. Jednak tak właśnie zaczyna się wielu historia technologii, które w końcu trafiają do codziennego użytku. Większość współczesnych tranzystorów elektrycznych potrzebuje dziesiątki razy więcej energii, by się przełączyć, a te, którym wystarczy pojedynczy elektron, działają znacznie wolniej niż zademonstrowany właśnie przełącznik optyczny.
      Jednak szybkość i energooszczędność to nie jedyne zalety nowej technologii. Równie ważny jest fakt, że przełącznik działa w temperaturze pokojowej i nie wymaga chłodzenia. Tymczasem systemy chłodzenia potrzebne współczesnym komputerom nie tylko wpływają na koszty samego sprzętu, ale też znacząco zwiększają zużycie energii koniecznej do ich zasilania.
      Urządzenie składa się z dwóch laserów. Bardzo słaby promień lasera kontrolnego jest używany do przełączania stanu drugiego jaśniejszego z laserów. Do przełączenia wystarczy kilka fotonów, stąd wynika wysoka efektywność całości. Przełączanie odbywa się wewnątrz mikrownęki. To 35-nanometrowej grubości organiczny polimer półprzewodzący zamknięty pomiędzy dwiema nieorganicznymi warstwami o wysokim współczynniku odbicia. Mikrownęka zbudowana jest w taki sposób, by jak najdłużej więzić nadchodzące światło, prowadząc w ten sposób do jego sprzężenia z materiałem wnęki.
      Oddziaływanie światła z materią to podstawa działania nowego urządzenia. Gdy fotony sprzęgają się z parami dziura-elektron – tworzącymi kwazicząstkę o nazwie ekscyton – pojawiają się kwazicząstki ekscyton-polaryton. Gdy silniejszy z laserów oświetla przełącznik powstają tysiące identycznych krótko żyjących kwazicząstek tworzących kondensat Bosego-Einsteina, w którym kodowany jest stan urządzenia „0” lub „1”.
      Najpierw za pomocą silniejszego lasera we wnęce tworzone są kwazicząstki o energiach większych niż energia podstawowa. Przełącznik znajduje się w stanie „0” Do przełączenia potrzebny jest laser słabszy, za pomocą którego tworzona jest grupa kwazicząstek o energii podstawowej. Ich pojawienie się wywołuje lawinowy proces przełączania się pozostałych kwazicząstek do stanu podstawowego. W ten sposób uzyskujemy stan „1”. Czas przełączania liczony jest w femtosekundach, dzięki czemu przełącznik jest ponad 100-krotnie szybszy od współczesnych tranzystorów.
      Naukowcy użyli kilku sztuczek, by utrzymać zapotrzebowanie na energię na jak najniższym poziomie przy jednoczesnym zmaksymalizowaniu pracy urządzenia. W efektywnym przełączaniu pomagają wibracje molekuł półprzewodzącego polimeru. Konieczne było precyzyjne dopasowanie częstotliwości pracy laserów, stanu kondensatu i energii wibracji molekuł polimeru.
      Przed nami jeszcze sporo pracy. Musimy zmniejszyć całkowite zapotrzebowania urządzenia na energię. Obecnie jest ono zdominowane przez silniejszy z laserów, który utrzymuje przełącznik w gotowości. Prawdopodobnie trzeba będzie wykorzystać tutaj perowskitowego superkryształu, z którym wcześniej eksperymentowaliśmy. Są one doskonałymi kandydatami to zbudowania naszego przełącznika, gdyż zapewniają bardzo silną interakcję światła z materią, stwierdzają autorzy badań.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Wiele współczesnych komputerów kwantowych zapisuje informacje w nietrwałych stanach kwantowych, które bardzo trudno jest utrzymać i skalować. Rozwiązaniem problemu może być trwały nanomechaniczny kubit.
      Kwantowe bity zbudowane z wibrujących węglowych nanorurek i par kropek kwantowych mogą być bardzo odporne na zakłócenia zewnętrzne. Tak przynajmniej wynika z obliczeń wykonanych przez Fabio Pistolesiego z francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych i jego kolegów z Hiszpanii i USA. Obliczenia wskazują bowiem, że czas dekoherencji takiego nanomechanicznego kubitu były bardzo długi, co czyni tę architekturę obiecującym elementem komputerów kwantowych.
      Komputery kwantowe mogą, przynajmniej teoretycznie, dokonywać wielu obliczeń znacznie szybciej niż maszyny klasyczne. Wynika to z samych zasad fizyki kwantowej. Najmniejszą jednostką informacji, jaką posługują się komputery, jest bit, reprezentowany przez cyfrę „0” lub „1”. W 4 bitach możemy zapisać 16 (24) kombinacji zer i jedynek. W komputerze klasycznym w danym momencie możemy zapisać jedną z tych kombinacji – gdyż każdy z bitów może przyjąć pozycję albo „0” albo „1” – i wykonać na niej działania.
      Jednak komputery kwantowe nie korzystają z bitów, a z kubitów (bitów kwantowych). Kubitem może być np. elektron. A z praw mechaniki kwantowej wiemy, że nie ma on jednej ustalonej wartości „0” lub „1”, ale przyjmuje obie jednocześnie. To tzw. superpozycja. Zatem w komputerze kwantowym w danym momencie zapiszemy wszystkie 16 kombinacji i wykonamy na nich działania. Innymi słowy, 4-bitowy komputer kwantowy powinien być – przynajmniej w teorii – aż 16-krotnie szybszy od swojego klasycznego odpowiednika. Obecnie zaś korzystamy z procesorów 64-bitowych, więc liczba możliwych kombinacji zer i jedynek wynosi w ich przypadku 264.
      Problem jednak w tym, że stany kwantowe są bardzo nietrwałe i w wyniku interakcji z czynnikami zewnętrznymi kubit może ulec dekoherencji, czyli utracić swój stan kwantowy (superpozycję) i stać się „standardową” jedynką albo zerem. Widzimy więc, jak istotny jest czas dekoherencji. Im jest on dłuższy, tym więcej czasu zostaje na przeprowadzenie obliczeń.
      Obiecującymi kandydatami na kubity są obwody nadprzewodzące, jony uwięzione w pułapkach magnetycznych czy kropki kwantowe. Teraz międzynarodowa grupa uczonych przekonuje, że możliwe jest też zbudowanie stabilnego nanomechanicznego kubitu.
      Kubit taki miały się składać z wiszącej węglowej nanorurki działającej jak rezonator, której wibracje zależą od stanów elektronicznych dwóch kropek kwantowych znajdujących się w samej nanorurce. Sprzężenie pomiędzy kropkami a nanorurką powoduje, że rezonator staje się silnie anharmoniczny. To oznacza, że okres drgań jest zależny od jego amplitudy. W takim rezonatorze bardzo łatwo wykryć nawet najmniejsze zmiany amplitudy. Pistolesi uważa, że właśnie amplitudę można wykorzystać do przechowywania kwantowej informacji.
      Innymi słowy, najmniejsza możliwa amplituda drgań (kwantowy stan podstawowy) odpowiada „0”, a kolejna najmniejsza amplituda (pierwszy stan wzbudzenia) odpowiada „1”. Stany te można z łatwością odczytać za pomocą mikrofal. Fakt, że częstotliwość pracy oscylatora zmienia się, gdy zmienia się jego amplituda, pozwala nam na odczytywanie kubitu i manipulowanie nim, wyjaśnia swoją koncepcję Pistolesi. Uczony przekonuje, że taki kubit byłby bardzo trwały. Zanim pojawi się dekoherencja, dojdzie w nim do milionów oscylacji.
      Wyniki badań, chociaż obiecujące, nie rozwiązują wszystkich problemów. Naukowcy wciąż nie wiedzą, w jaki sposób wprowadzić do takiego systemu na tyle silną anharmoniczność, by całość poddawała się kontroli.
      Być może zaproponowana przez Pistolesiego architektura nigdy nie trafi do komputerów kwantowych. Jednak może się ona przydać do budowy niezwykle czułych detektorów kwantowych, gdyż oscylatory takie byłyby podatne na działanie klasycznych sił. Można by je więc wykorzystać do wykrywania niewielkich zmian przyspieszenia, pola elektrycznego czy magnetycznego.
      Teraz badacze chcą zbudować zaproponowany przez siebie kubit i przetestować jego działanie.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Po raz pierwszy udało się dwukrotnie wykryć poruszający się pojedynczy foton, nie niszcząc go przy tym. To ważna osiągnięcie, gdyż dotychczas foton ulegał zwykle zniszczeniu podczas jego rejestrowania. Najnowsze osiągnięcie może przyczynić się do powstania szybszych i bardziej odpornych na zakłócenia sieci optycznych i komputerów kwantowych.
      Zwykle wykrycie fotonu wiąże się z jego zaabsorbowaniem. Jednak foton może nieść ze sobą cenne informacje, a w takich przypadkach specjaliści woleliby mieć możliwość odczytania tych danych i przepuszczenia fotonu dalej, do miejsca docelowego. Żadna metoda detekcji nie jest w 100% skuteczna, zawsze istnieje ryzyko, że coś się prześliźnie niewykryte, mówi jeden z autorów badań, Stephan Welte, fizyk kwantowy z Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka w niemieckim Garching. Dlatego też możliwość niedestrukcyjnego wykrywania fotonów jest tak ważna – ustawienie detektorów jeden za drugim zwiększa szanse, że wykryjemy wszystkie interesujące nas fotony.
      Dotychczas opracowano różne sposoby wykrywania fotonu bez jego niszczenia. Często polegają one na interakcji fotonu z jonem, nadprzewodzącym kubitem lub innymi systemami kwantowymi. Jednak w ten sposób możemy albo wykonać pojedynczą niedestrukcyjną rejestrację poruszającego się fotonu, albo liczne niedestrukcyjne odczyty stacjonarnego fotonu uwięzionego we wnęce.
      Teraz naukowcy z Niemiec dwukrotnie wykryli pojedynczy foton wędrujący światłowodem. Wykorzystali w tym celu skonstruowany przez siebie niedestrukcyjny detektor zbudowany z pojedynczego atomu rubidu uwięzionego w odbijającej wnęce. Foton, wpadając do wnęki, odbija się od jej ścian, zmieniając stan kwantowy atomu, co można wykryć za pomocą lasera. Uczeni umieścili dwa takie detektory w odległości 60 metrów od siebie. Wykryły one ten sam foton, nie absorbując go. Welte mówi, że teoretycznie można w ten sposób wykryć pojedynczy foton nieskończoną liczbę razy, jednak w praktyce istnienie 33-procentowe ryzyko, że użycie detektora spowoduje utratę fotonu.
      Nowa technologia może w przyszłości pozwolić na śledzenie trasy fotonów. Pozwoli to na przyspieszenie pracy systemów kwantowych, gdyż będziemy w stanie upewniać się, że zakodowane w fotonach informacje dotrą tam, gdzie powinny.
      Powiedzmy, że chcesz wysłać kwantową informację z Monachium do Nowego Jorku. Możesz w międzyczasie wielokrotnie sprawdzać, czy foton nie został po drodze utracony, np. sprawdzając, czy dotarł do Paryża. Jeśli okaże się, że foton zgubił się po drodze, można będzie natychmiast wysłać go ponownie. Nie trzeba będzie czekać na zakończenie całej transmisji, by upewnić się, że wszystko poszło tak, jak powinno, wyjaśnia główny autor badań, Emanuele Distante.
      Twórcy nowych detektorów uważają, że nie można ich będzie wykorzystać do podsłuchania kwantowej komunikacji. To jak śledzenie przesyłek. Możesz dowiedzieć się, gdzie jest paczka, ale nic nie wiesz o jej zawartości. Foton zawiera w sobie pewną kwantową informację. Możesz w sposób niedestrukcyjny go wykryć, ale nie odczytać, stwierdza Welte.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Holenderscy uczeni zaprezentowali elektroniczny kontroler kubitów, pracujący w temperaturach kriogenicznych. Urządzenie może pomóc w poradzeniu sobie z problemem wąskiego gardła połączeń w komputerach kwantowych korzystających z wielu kubitów.
      Do budowy komputerów kwantowych wykorzystuje się obecnie wiele różnych technologii. Wiele z nich zmaga się z poważnym problemem. Otóż elementy, w których przeprowadzane są obliczenia kwantowe pracują w bardzo niskich temperaturach, tymczasem kable i inne podzespoły łączące te elementy ze światem zewnętrznym mają temperaturę znacznie wyższą. Tak duża różnica temperatur może niekorzystnie wpływać na pracę komputerów kwantowych i możliwości ich projektowania.
      Naukowcy z Uniwersytetu Technologicznego w Delft we współpracy z ekspertami Intela zaprezentowali właśnie urządzenie elektroniczne, które pracuje w temperaturach kriogenicznych i może kontrolować kwantowy układ scalony. Kriokontroler Horse Ridge pracuje z kwantowymi układami scalonymi opartymi na krzemie równie dobrze, jak standardowe kontrolery z układami scalonymi działającymi w temperaturze pokojowej.
      Obecnie w procesorach kwantowych dla każdego kubita tworzy się osobne okablowanie, które łączą go z zewnętrznymi urządzeniami pracującymi w temperaturze pokojowej, wyjaśnia fizyk Lieven Vandersypen z TU Delft. Jednak w przyszłości, gdy kwantowe procesory będą korzystały z tysięcy lub milionów kubitów, zapewnienie każdemu kubitowi osobnego okablowanie nie będzie możliwe, dodaje uczony. Dlatego też wraz z zespołem pracuje nad rozwiązaniem, które poradzi sobie zarówno z problemem różnicy temperatur jak i okablowania.
      Problem integracji kubitów i elektroniki to problem termiczny, zgadza się Sorin Voinigescu, inżynier z University of Toronto, który nie był zaangażowany w opisywane badania.
      Kontrolery mikrofalowe, takie jak Horse Ridge, mają poważne problemy z pracą w niskich temperaturach. A w przyszłości, gdy będziemy dysponowali kwantowymi procesorami zawierającymi miliony kubitów, konieczne będzie upakowanie w nich dziesiątków tysięcy takich kontrolerów, zdolnych do pracy w bardzo niskich temperaturach. Nowe badania to kolejny krok w tym kierunku.
      Podczas prowadzonych eksperymentów Horse Ridge kontrolował parę kubitów zamkniętych w krzemowym systemie zwanym podwójną kropką kwantową. Kontroler wysyłał zaprogramowane wcześniej krótkie impulsy mikrofalowe, które pozwalały na manipulowanie spinem kubitów, czyli przeprowadzanie obliczeń. Zwykle tego typu kontrolery pracują w temperaturze pokojowej i są połączone z procesorem kwantowym za pomocą kabla koncentrycznego. Horse Ridge pracuje w temperaturach kriogenicznych, a jego wydajność jest taka sama, jak tradycyjnych kontrolerów.
      Horse Ridge powstał w dobrze znanej technologii CMOS. Połączenie 60 lat doświadczeń z CMOS z kubitami to zwycięskie rozwiązanie, mówi Edoardo Charbon z Delft.
      Holenderski zespół zapewnia, że technologię CMOS nie tylko można łatwo miniaturyzować i integrować z kwantowymi układami scalonymi, ale Horse Ridge może być programowany tak, by w różny sposób manipulował kubitami. Pozwala też na uruchamianie większej liczby algorytmów kwantowych, niż wcześniejsze kriokontrolery.
      Kontroler pracuje w niskich temperaturach, jednak jest on cieplejszy niż procesor kwantowy, więc różnica między nim a wychodzącym na zewnątrz okablowaniem jest mniejsza. Holenderski zespół będzie pracował nad dalszym zwiększeniem temperatury kubitów, by móc zmniejszać te różnice.
      Szczegóły opisano na łamach Nature.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Rozwiązaniem problemu pomiędzy szybkością działania komputerów kwantowych a koherencją kubitów może być zastosowanie dziur, twierdzą australijscy naukowcy. To zaś może prowadzić do powstania kubitów nadających się do zastosowania w minikomputerach kwantowych.
      Jedną z metod stworzenia kubitu – kwantowego bitu – jest wykorzystanie spinu elektronu. Aby uczynić komputer kwantowy tak szybkim, jak to tylko możliwe, chcielibyśmy mieć możliwość manipulowania spinami wyłącznie za pomocą pola elektrycznego, dostarczanego za pomocą standardowych elektrod.
      Zwykle spiny nie reagują na pole elektryczne, jednak z niektórych materiałach spiny wchodzi w niebezpośrednie interakcje z polem elektrycznym. Mamy tutaj do czynienia z tzw. sprzężeniem spinowo-orbitalnym. Eksperci zajmujący się tym tematem obawiają się jednak, że gdy taka interakcja jest zbyt silna, wszelkie korzyści z tego zjawiska zostaną utracone, gdyż dojdzie do dekoherencji i utraty kwantowej informacji.
      Jeśli elektrony zaczynają wchodzić w interakcje z polami kwantowymi, które im aplikujemy w laboratorium, są też wystawione na niepożądane zmienne pola elektryczne, które istnieją w każdym materiale. Potocznie nazywamy to „szumem”. Ten szum może zniszczyć delikatną informację kwantową, mówi główny autor badań, profesor Dimi Culcer z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii.
      Nasze badania pokazują jednak, że takie obawy są nieuzasadnione. Nasze teoretyczne badania wykazały, że problem można rozwiązać wykorzystując dziury – które można opisać jako brak elektronu – zachowujące się jak elektrony z ładunkiem dodatnim, wyjaśnia uczony.
      Dzięki wykorzystaniu dziur kwantowy bit może być odporny na fluktuacje pochodzące z tła. Co więcej, okazało się, że punkt, w którym kubit jest najmniej wrażliwy na taki szum, jest jednocześnie punktem, w którym działa on najszybciej. Z naszych badań wynika, że w każdym kwantowym bicie utworzonym z dziur istnieje taki punkt. Stanowi to podstawę do przeprowadzenia odpowiednich eksperymentów laboratoryjnych, dodaje profesor Culcer.
      Jeśli w laboratorium uda się osiągnąć te punkty, będzie można rozpocząć eksperymenty z utrzymywaniem kubitów najdłużej jak to możliwe. Będzie to też stanowiło punkt wyjścia do skalowania kubitów tak, by można było je stosować w minikomputerach.
      Wiele wskazuje na to, że takie eksperymenty mogą zakończyć się powodzeniem. Profesor Joe Salfi z University of British Columbia przypomina bowiem: Nasze niedawne eksperymenty z kubitami utworzonymi z dziur wykazały, że w ich wypadku czas koherencji jest dłuższy, niż się spodziewaliśmy. Teraz widzimy, że nasze obserwacje mają solidne podstawy teoretyczne. To bardzo dobry prognostyk na przyszłość.
      Praca Australijczyków została opublikowana na łamach npj Quantum Information.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...