Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Unimon – nowy nadprzewodzący kubit zapewnia większą dokładność obliczeń kwantowych
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Komputery kwantowe mogą, przynajmniej teoretycznie, przeprowadzać obliczenia, które są poza zasięgiem tradycyjnych maszyn. Ich kluczowym elementem są splątane kwantowe bity, kubity. Splątanie jest jednak stanem niezwykle delikatnym, bardzo wrażliwym na wpływ czynników zewnętrznych, na przykład promieniowania kosmicznego. Powoduje ono, że średnio co 10 sekund dochodzi do katastrofalnego błędu i kwantowe układy scalone tracą dane. Może ono za jednym razem usunąć wszelkie dane z procesora nawet najbardziej zaawansowanej maszyny kwantowej.
Fizyk Quian Xu z University of Chicago i jego koledzy poinformowali o opracowaniu metody, która aż o 440 000 razy wydłuża czas pomiędzy błędami powodowanymi przez promieniowanie kosmiczne. Zatem mają one miejsce raz na 51 dni.
Badacze zaproponowali komputer kwantowy składający się z wielu układów scalonych z danymi, z których każdy posiada liczne nadprzewodzące kubity. Wszystkie te układy są połączone z układem pomocniczym, który zawiera dodatkowe kubity monitorujące dane. Wszystkie chipy korzystałyby ze standardowych metod korekcji błędów oraz dodatkowej korekcji błędów powodowanych przez promieniowanie kosmiczne. Dzięki temu, że dane są rozdzielone na różne układy, zniszczenia powodowane przez promieniowanie kosmiczne są ograniczane. Gdy już do nich dojdzie, układ pomocniczy, we współpracy z układami, których dane nie zostały uszkodzone przez promieniowanie, przystępuje do korekty i odzyskania utraconych danych. Komputer nie musi rozpoczynać pracy na nowo, gdy tylko niektóre układy utracą dane, Xu. Co więcej, metoda ta wykrywa i koryguje dane pojawiające się w układzie pomocniczym.
Autorzy badań twierdzą, że ich metoda wymaga zaangażowania mniejszej ilości zasobów oraz żadnych lub niewielkich modyfikacji sprzętowych w porównaniu z dotychczasowymi próbami ochrony komputerów kwantowych przed promieniowaniem kosmicznym. W przyszłości chcieliby ją przetestować na chmurze kwantowej IBM-a lub procesorze Sycamore Google'a.
Ze szczegółowym opisem metody można zapoznać się na łamach arXiv.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Dwie amerykańskie grupy badawcze stworzyły – niezależnie od siebie – pierwsze kwantowe procesory, w których rolę kubitów odgrywają atomy. To potencjalnie przełomowe wydarzenie, gdyż oparte na atomach komputery kwantowe mogą być łatwiej skalowalne niż dominujące obecnie urządzenia, w których kubitami są uwięzione jony lub nadprzewodzące obwody.
W 2020 roku firma Heoneywell pochwaliła się, że jej komputer na uwięzionych jonach osiągnął największą wartość „kwantowej objętości”. Tego typu maszyny, mają tę zaletę, że jony w próżni jest dość łatwo odizolować od zakłóceń termicznych, a poszczególne jony w chmurze są nieodróżnialne od siebie. Problemem jest jednak fakt, że jony wchodzą w silne interakcje, a do manipulowania nimi trzeba używać pól elektrycznych, co nie jest łatwym zadaniem.
Z drugiej zaś strony mamy kwantowe maszyny wykorzystujące obwody nadprzewodzące. Za najpotężniejszy obecnie procesor kwantowy z takimi obwodami uznaje się 127–kubitowy Eagle IBM-a. Jednak wraz ze zwiększaniem liczby kubitów, urządzenia tego typu napotykają coraz więcej problemów. Każdy z kubitów musi być w nich wytwarzany indywidualnie, co praktycznie uniemożliwia wytwarzanie identycznych kopii, a to z kolei – wraz z każdym dodanym kubitem – zmniejsza prawdopodobieństwo, że wynik obliczeń prowadzonych za pomocą takiego procesora będzie prawidłowy. Jakby jeszcze tego było mało, każdy z obwodów musi być schłodzony do niezwykle niskiej temperatury.
Już przed sześcioma laty zespoły z USA i Francji wykazały, że możliwe jest przechowywanie kwantowej informacji w atomach, którymi manipulowano za pomocą szczypiec optycznych. Od tamtego czasu Amerykanie rozwinęli swój pomysł i stworzyli 256-bitowy komputer kwantowy bazujący na tej platformie. Jednak nikt dotychczas nie zbudował pełnego obwodu kwantowego na atomach.
Teraz dwa niezależne zespoły zaprezentowały procesory bazujące na takich atomach. Na czele grupy z Uniwersytetu Harvarda i MTI stoi Mikhail Lukin, który w 2016 roku opracował ten oryginalny pomysł. Zespołem z University of Wisonsin-Madison, w pracach którego biorą też udział specjaliści z firm ColdQuant i Riverlane, kieruje zaś Mark Saffman. Zespół Lukina wykorzystał atomy rubidu, zespół Saffmana użył zaś cezu.
Jeśli mamy obok siebie dwa atomy w stanie nadsubtelnym, to nie wchodzą one w interakcje. Jeśli więc chcemy je splątać, jednocześnie wzbudzamy je do stanu Rydberga. W stanie Rydberga wchodzą one w silne interakcje, a to pozwala nam je szybko splątać. Później możemy z powrotem wprowadzić je w stan nadsubtelny, gdzie można nimi manipulować za pomocą szczypiec optycznych, wyjaśnia Dolev Bluvstein z Uniwersytetu Harvarda.
Grupa z Harvarda i MIT wykorzystała stan nadsubtelny do fizycznego oddzielenia splątanych atomów bez spowodowania dekoherencji, czyli utraty kwantowej informacji. Gdy każdy z atomów został przemieszczony na miejsce docelowe został za pomocą lasera splątany z pobliskim atomem. W ten sposób naukowcy byli w stanie przeprowadzać nielokalne operacje bez potrzeby ustanawiania specjalnego fotonicznego lub atomowego łącza do przemieszczania splątania w obwodzie.
W ten sposób uruchomiono różne programy. Przygotowano m.in. kubit logiczny, składający się z siedmiu kubitów fizycznych, w którym można było zakodować informacje w sposób odporny na pojawienie się błędów. Naukowcy zauważają, że splątanie wielu takich logicznych kubitów może być znacznie prostsze niż podobne operacje na innych platformach. Istnieje wiele różnych sztuczek, które są stosowane by splątać kubity logiczne. Jednak gdy można swobodnie przesuwać atomy, to jest to bardzo proste. Jedyne, co trzeba zrobić to stworzyć dwa niezależne kubity logiczne, przesunąć je i przemieszać z innymi grupami, wprowadzić za pomocą lasera w stan Rydberga i utworzyć pomiędzy nimi bramkę, stwierdza Dluvstein. Te technika, jak zapewnia uczony, pozwala na przeprowadzenie korekcji błędów i splątania pomiędzy kubitami logicznymi w sposób niemożliwy do uzyskania w obwodach nadprzewodzących czy z uwięzionymi jonami.
Grupa z Wisconsin wykorzystała inne podejście. Naukowcy nie przemieszczali fizycznie atomów, ale za pomocą lasera manipulowali stanem Rydberga i przemieszczali splątanie po macierzy atomów. Mark Saffman podaje przykład trzech kubitów ustawionych w jednej linii. Za pomocą laserów oświetlamy kubit po lewej i kubit centralny Zostają one wzbudzone do stanu Rydberga i splątane. Następnie oświetlamy atom centralny oraz ten po prawej. W ten sposób promienie laserów kontrolują operacje na bramkach, ale tym, co łączy kubity są interakcje zachodzące w stanach Rydberga.
Grupa Saffmana wykorzystała opracowaną przez siebie technikę do stworzenia składających się z sześciu atomów stanów Greenbergera-Horne'a-Zeilingera. Wykazali też, że ich system może działać jak kwantowy symulator służący np. do szacowania energii molekuły wodoru. Dzięki temu, że nie trzeba było przesuwać atomów, zespół z Wisconsin osiągnął kilkaset razy większe tempo pracy niż zespół z Harvarda i MIT, jednak ceną była pewna utrata elastyczności. Saffman uważa, że w przyszłości można będzie połączyć oba pomysły w jeden lepszy system.
Na razie oba systemy korzystają z niewielkiej liczby kubitów, konieczne jest też wykazanie wiarygodności obliczeń oraz możliwości ich skalowania. Chris Monroe, współtwórca pierwszego kwantowego kubita – który oparty był na uwięzionych jonach – uważa, że obie grupy idą w dobrym kierunku, a kubity na atomach mogą osiągnąć wiarygodność 99,9% i to bez korekcji błędów. Obecnie osiągamy taki wynik na uwięzionych jonach i – mimo że technologia wykorzystania atomów jest daleko z tyłu – nie mam wątpliwości, że w końcu osiągną ten sam poziom, stwierdza.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Komputery kwantowe mogą zrewolucjonizować wiele dziedzin nauki oraz przemysłu, przez co wpłyną na nasze życie. Rodzi się jednak pytanie, jak duże muszą być, by rzeczywiście dokonać zapowiadanego przełomu. Innymi słowy, na ilu kubitach muszą operować, by ich moc obliczeniowa miała znaczący wpływ na rozwój nauki i technologii.
Na pytanie to postanowili odpowiedzieć naukowcy z Wielkiej Brytanii i Holandii. Przyjrzeli się dwóm różnym typom problemów, jakie będą mogły rozwiązywać komputery kwantowe: złamaniu zabezpieczeń Bitcoina oraz symulowanie pracy kofaktora FeMo (FeMoco), który jest ważnym elementem białka wchodzącego w skład nitrogenazy, enzymu odpowiedzialnego za asymilację azotu.
Z AVS Quantum Science dowiadujemy się, że naukowcy stworzyli specjalne narzędzie, za pomocą którego mogli określić wielkość komputera kwantowego oraz ilość czasu potrzebnego mu do rozwiązania tego typu problemów. Obecnie większość prac związanych z komputerami kwantowymi skupia się na konkretnych platformach sprzętowych czy podzespołach nadprzewodzących. Różne platformy sprzętowe znacząco się od siebie różnią chociażby pod względem takich kluczowych elementów, jak tempo pracy czy kontrola jakości kubitów, wyjaśnia Mark Webber z University of Sussex.
Pobieranie azotu z powietrza i wytwarzanie amoniaku na potrzeby produkcji nawozów sztucznych to proces wymagający dużych ilości energii. Jego udoskonalenie wpłynęłoby zarówno na zwiększenie produkcji żywności, jak i zmniejszenie zużycia energii, co miałoby pozytywny wpływ na klimat. Jednak symulowanie odpowiednich molekuł, których opracowanie pozwoliłoby udoskonalić ten proces jest obecnie poza możliwościami najpotężniejszych superkomputerów.
Większość komputerów kwantowych jest ograniczone faktem, że wykorzystywane w nich kubity mogą wchodzić w bezpośrednie interakcje tylko z kubitami sąsiadującymi. W innych architekturach, gdzie np. są wykorzystywane jony uwięzione w pułapkach, kubity nie znajdują się na z góry ustalonych pozycjach, mogą się przemieszczać i jeden kubit może bezpośrednio oddziaływać na wiele innych. Badaliśmy, jak najlepiej wykorzystać możliwość oddziaływania na odległe kubity po to, by móc rozwiązać problem obliczeniowy w krótszym czasie, wykorzystując przy tym mniej kubitów, wyjaśnia Webber.
Obecnie największe komputery kwantowe korzystają z 50–100 kubitów, mówi Webber. Naukowcy oszacowali, że do złamania zabezpieczeń sieci Bitcoin w ciągu godziny potrzeba – w zależności od sprawności mechanizmu korekty błędów – od 30 do ponad 300 milionów kubitów. Mniej więcej godzina upływa pomiędzy rozgłoszeniem a integracją blockchaina. To czas, w którym jest on najbardziej podatny na ataki.
To wskazuje, że Bitcoin jest obecnie odporna na ataki z wykorzystaniem komputerów kwantowych. Jednak uznaje się, że możliwe jest zbudowanie komputerów kwantowych takiej wielkości. Ponadto ich udoskonalenie może spowodować, że zmniejszą się wymagania, co do liczby kubitów potrzebnych do złamania zabezpieczeń Bitcoin.
Webber zauważa, że postęp na polu komputerów kwantowych jest szybki. Przed czterema laty szacowaliśmy, że do złamania algorytmu RSA komputer kwantowy korzystający z jonów uwięzionych w w pułapce potrzebowałby miliarda fizycznych kubitów, a to oznaczało, że maszyna taka musiałaby zajmować powierzchnię 100 x 100 metrów. Obecnie, dzięki udoskonaleniu różnych aspektów tego typu komputerów, do złamania RSA wystarczyłaby maszyna o rozmiarach 2,5 x 2,5 metra.
Z kolei do przeprowadzenia symulacji pracy FeMoco komputery kwantowe, w zależności od wykorzystanej architektury i metod korekcji błędów, potrzebowałyby od 7,5 do 600 milionów kubitów, by przeprowadzić taką symulację w ciągu około 10 dni.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Najnowszy numer Nature przynosi przełomowe informacje na temat praktycznego wykorzystania komputerów kwantowych. Naukowcy z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii (UNSW) wykazali, że możliwe jest stworzenie niemal wolnego od błędów krzemowego procesora kwantowego. Dzisiejsza publikacja pokazuje, że obliczenia przeprowadzane przez nasz procesor były w ponad 99% wolne od błędów. Gdy odsetek błędów jest tak mały, możliwym staje się ich wykrywanie i korygowanie w czasie rzeczywistym. A to oznacza, że można wybudować skalowalny komputer kwantowy wykonujący wiarygodne obliczenia, wyjaśnia profesor Andrea Morello z UNSW.
Morello stoi na czele zespołu złożonego z naukowców z Australii, USA, Japonii i Egiptu. Ich celem jest zbudowanie uniwersalnego komputera kwantowego, czyli maszyny, której możliwości obliczeniowe nie będą ograniczone do jednego rodzaju zadań. Badania, których wyniki właśnie opublikowaliśmy, to bardzo ważny krok w tym kierunku, podkreśla uczony.
Jednak, co niezwykle ważne, artykuł Morello i jego zespołu to jeden z trzech tekstów z Nature, których autorzy informują o niezależnym od siebie osiągnięciu niskiego odsetka błędów w opartych na krzemie procesorach kwantowych.
Z najnowszego Nature, którego redakcja zdecydowała się na zilustrowanie kwantowego przełomu na okładce, dowiadujemy się, że wiarygodność operacji obliczeniowych na jednym kubicie osiągnięta przez Morello i jego zespół wyniosła 99,95%, a operacji na dwóch kubitach – 99,37%. Niezależnie od nich zespół z holenderskiego Uniwersytetu Technologicznego w Delft, prowadzony przez Lievena Vandersypena osiągnął wiarygodność rzędu 99,87% przy operacjach na jednym kubicie i 99,65% podczas operacji dwukubitowych. W trzecim z artykułów czytamy zaś o pracach naukowców z japońskiego RIKEN, w trakcie których grupa Seigo Taruchy mogła pochwalić się wiarygodnością 99,84% przy działaniach na jednym kubicie i 99,51% przy pracy z dwoma kubitami.
Wydajność procesorów z UNSW i Delft została certyfikowana zaawansowaną metodą gate set tomography opracowaną przez amerykańskie Sandia National Laboratories, a wyniki certyfikacji zostały udostępnione innym grupom badawczym.
Zespół profesora Morello już wcześniej wykazał, że jest w stanie utrzymać kwantową informację w krzemie przez 35 sekund. W świecie kwantowym 35 sekund to wieczność. Dla porównania, słynne nadprzewodzące komputery kwantowe Google'a i IBM-a są w stanie utrzymać taką informację przez około 100 mikrosekund, czyli niemal milion razy krócej, zauważa Morello. Osiągnięto to jednak izolując spiny (kubity) od otoczenia, co z kolei powodowało, że wydaje się niemożliwym, by kubity te mogły wejść ze sobą w interakcje, a więc nie mogły wykonywać obliczeń.
Teraz z artykułu w Nature dowiadujemy się, że udało się pokonać problem izolacji wykorzystując elektron okrążający dwa jądra atomu fosforu.
Gdy masz dwa jądra połączone z tym samym elektronem, może zmusić je do wykonywania operacji kwantowych, stwierdza doktor Mateusz Mądzik, jeden z głównych autorów eksperymentów. Gdy nie operujesz na elektronie, jądra te mogą bezpiecznie przechowywać kwantowe informacje. Teraz jednak mamy możliwość, by jądra wchodziły w interakcje za pośrednictwem elektronu i w ten sposób możemy wykonywać uniwersalne operacje kwantowe, które mogą rozwiązywać każdy rodzaj problemów obliczeniowych, wyjaśnia Mądzik.
Gdy splączemy spiny z elektronem, a następnie możemy elektron ten przesunąć w inne miejsce i splątać go z kolejnymi kubitami, tworzymy w ten sposób duże macierze kubitów zdolnych do przeprowadzania solidnych użytecznych obliczeń, dodaje doktor Serwan Asaad.
Jak podkreśla profesor David Jamieson z University of Melbourne, atomy fosforu zostały wprowadzone do krzemowego procesora za pomocą tej samej metody, jaka jest obecnie używana w przemyśle półprzewodnikowym. To pokazuje, że nasz kwantowy przełom jest kompatybilny z obecnie używanymi technologiami.
Wszystkie obecnie używane komputery wykorzystują systemy korekcji błędów i redundancji danych. Jednak prawa mechaniki kwantowej narzucają ścisłe ograniczenia na sposób korekcji błędów w maszynach kwantowych. Konieczne jest osiągnięcie odsetka błędów poniżej 1%. Dopiero wtedy można zastosować kwantowe protokoły korekcji błędów. Teraz, gdy udało się ten cel osiągnąć, możemy zacząć projektować skalowalne krzemowe procesory kwantowe, zdolne do przeprowadzania użytecznych wiarygodnych obliczeń, wyjaśnia Morello.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Gdy denerwujemy się, że nasz domowy pecet uruchamia się za długo, pewnym pocieszeniem może być informacja, iż w porównaniu z eksperymentalnymi komputerami kwantowymi jest on demonem prędkości. Uczeni pracujący nad tego typu maszynami spędzają każdego dnia wiele godzin na ich odpowiedniej kalibracji.
Komputery kwantowe, a raczej maszyny, które w przyszłości mają się nimi stać, są niezwykle czułe na wszelkie zewnętrzne zmiany. Wystarczy, że temperatura otoczenia nieco spadnie lub wzrośnie, że minimalnie zmieni się ciśnienie, a maszyna taka nie będzie prawidłowo pracowała. Obecnie fizycy kwantowi muszą każdego dnia sprawdzać, jak w porównaniu z dniem poprzednim zmieniły się warunki. Później dokonują pomiarów i ostrożnie kalibrują układ kwantowy - mówi profesor Frank Wilhelm-Mauch z Uniwersytetu Kraju Saary. Dopuszczalny margines błędu wynosi 0,1%, a do ustawienia jest około 50 różnych parametrów. Kalibracja takiej maszyny jest zatem niezwykle pracochłonnym przedsięwzięciem.
Wilhelm-Mauch i jeden z jego doktorantów zaczęli zastanawiać się na uproszczeniem tego procesu. Stwierdzili, że niepotrzebnie skupiają się na badaniu zmian w środowisku. Istotny jest jedynie fakt, że proces kalibracji prowadzi do pożądanych wyników. Nie jest ważne, dlaczego tak się dzieje. Uczeni wykorzystali algorytm używany przez inżynierów zajmujących się mechaniką konstrukcji. Dzięki niemu możliwe było zmniejszenie odsetka błędów poniżej dopuszczalnego limitu 0,1% przy jednoczesnym skróceniu czasu kalibracji z 6 godzin do 5 minut. Niemieccy naukowcy nazwali swoją metodologię Ad-HOC (Adaptive Hybrid Optimal Control) i poprosili kolegów z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara o jej sprawdzenie. Testy wypadły pomyślnie.
W przeciwieństwie do metod ręcznej kalibracji nasza metoda jest całkowicie zautomatyzowana. Naukowiec musi tylko wcisnąć przycisk jak w zwykłym komputerze. Później może pójść zrobić sobie kawę, a maszyna kwantowa sama się wystartuje - mówi Wilhelm-Mauch.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.