Connect with us

Znanost

JOINT QUANTUM INSTITUTE

Računarstvo i internet

Novi modul s programabilnim ionima usavršit će kvantna računala

Kvantna računala obećavaju izvođenje višestrukih operacija, modeliranje virtualnih eksperimenata, dešifriranje tajnih poruka i u konačnici, visoke prihode od svojih brojnih benefita. Dok su razne istraživačke grupe na dobrom putu stvaranja malih višenamjenskih kvantnih uređaja, izgradnja kompleksnih velikih računala ispunjena je teškoćama, čija su rješenja možda uspjeli predložiti znanstvenici s Joint Quantum Instituta.

U radu objavljenom kao priči za naslovnicu časopisa Nature koji je izašao u javnost 4. kolovoza, istraživači pod vodstvom Chrisophera Monroea predstavili su prvi potpuno programabilni i rekonfiguracijski kvantni računalni modul s potencijalnom povezivanja sa svojim kopijama.  Njihov modul iskorištava jedinstvena svojstva zarobljenih iona za izvođenje bilo kojeg algoritma na pet kvantnih bitova, dok atomski ioni koji su ograničeni poljima obližnjih elektroda predstavljaju platforme koje obećavaju uspjeh svih budućih operacija.

Za one koji ne znaju, priča o kvantnim računalima započela je davne 1981. s popularnim fizičarom Richardom Feynmanom na konferenciji za fiziku i računarstvo na MIT-u i njegovim jednostavnim pitanjem o simulaciji fizike na konvencionalnim računalima.  Ovo je nepremostiv zadatak, budući da kvantna mehanika proučava zakone na razini individualnih atoma i čestica te njezin opis ima toliko varijabli koliko je nemoguće pratiti na tradicionalnim kompjuterima.

Kako bi objasnio ovaj jaz, Andrais Ambainis, profesor sa Sveučilišta u Latviji i istraživač s područja teorije kvantnog računarstva, algoritama i kvantne kriptografije, ilustrira  da je za razumijevanje svijeta kvantnog računarstva potrebno  imati na umu da nam u prirodnim znanostima priroda daje svijet za otkrivanje njegovih zakona, a eksperimenti u kvantnoj fizici stvaraju umjetne fizičke sisteme koji se pokoravaju zakonima kvantne mehanike ali ne postoje u prirodi pod normalnim okolnostima. Stoga kvantno računalo kodira informacije u kvantna stanja i izračunava operacije nad njima, te mu je za pronalaženje telefonskog broja u alfabetiziranom imeniku od milijun brojeva potrebno samo tisuću koraka, a ne milijun kako je slučaj s konvencionalnim računalima.



Kvantna računala će biti u mogućnosti pročitati tajne poruke poslane internetom uz pomoć dostupnih tehnologija, izvoditi virtualne eksperimente za modeliranje kvantnih sistema i ponašanja atoma i čestica u neuobičajenim okolnostima te pronaći specifične podatke u velikim bazama. Usporedbe radi, za obrađivanje niza s bilijun mogućih vrijednosti, za koje bi klasično računalo trebalo bilijun različitih procesora, kvantno računalo će ih istodobno izračunavati putem jednog hardvera.

„Da bi bilo koje računalo bilo korisno, ne bi se trebalo zahtijevati da korisnik zna što je unutra. Vrlo malo ljudi mari što njihov iPhone zapravo radi na fizičkoj razini. Naš eksperiment dovodi visoko kvalitetne kvantne bitove do više razine funkcionalnosti dozvoljavajući im da budu programirani i rekonfigurirani u softveru“, tvrdi Monroe.

Novi je modul izgrađen na desetljećima istraživanja o zahvaćanju i kontroliranju iona, a uz standardne tehnike uvodi nove metode kontrole i mjerenja te manipulaciju brojnim ionima istovremeno uz pomoć laserskih snopova.

Modul je testiran na slučajevima triju problema koje kvantno računarstvo inače brzo rješava, a u samom srcu se nalazi baza podataka koja pohranjuje najbolje oblike za laserske impulse koji upravljaju vratima kvantne logike – temeljem kvantnih algoritama.  Oblici su izračunati pomoću običnog računala, a modul upotrebljava softver za prevođenje algoritma u impulse u bazi podataka.

„Pomoću izravnog povezivanja bilo kojeg para kvantnih bitova, možemo rekonfigurirati sustav kako bi implementirao bilo koji algoritam. Dok je god riječ o samo pet kvantnih bitova, znamo kako primijeniti istu tehniku na mnogo veće kolekcije“, objašnjava vodeći autor studije Shantanu Debnath.

Svaki se kvantni algoritam sastoji od tri temeljna sastojka. Prvo, kvantni se bitovi pripremaju u posebnoj fazi, zatim podliježu nizu kvantnih logičkih vrata i konačno, kvantno mjerenje izvlači output algoritma. Modul izvodi ove zadatke uz primjenu različitih boja laserskog svijetla, a isti laser očitava stanje svakog iona na kraju procesa. Zasebni laser zahvaća ione kako bi pokrenuli kvantna logička vrata i sparuje njihove unutarnje informacije kvantnih bitova s njihovim kretanjem, dozvoljavajući interakciju bilo koja dva iona u modulu putem snažnih električnih odbijanja.

„Mogućnost rekonfiguracije laserskih snopova ključna je prednost. Reduciranjem algoritma u niz laserskih impulsa koji pritišću na prikladne ione, možemo rekonfigurirati ožičenje između ovih kvantnih bitova izvana. To postaje softverski problem, a nijedna druga kvantno računarska arhitektura nema ovu fleksibilnost“, kaže Debnath.

Modul je testiran pri izvođenju tri kvantna algoritma, pri čemu su dva uspješno izvodila više od 90 posto vremena. Znanstvenici vjeruju da će njihovom modulu tijekom vremena biti moguće dodati i do 100 kvantnih bitova te povezati zasebne module, budući da njegova fleksibilnost omogućava programiranje dosad neizvedenih kvantnih algoritama.

Ostavi komentar

Ostavi komentar

Vaša adresa e-pošte neće biti objavljena. Obavezna polja su označena sa *

Više u Računarstvo i internet

Popularno

Pratite nas na Fejsu

Na Vrh