LOADING ...

Η απίθανη προέλευση του πρώτου κβαντικού υπολογιστή

Ryan F. Mandelbaum Jan 10, 2019. 0 comments
gizmodo-saturated.png Firsts Αυτή την εβδομάδα θα ρίξουμε μια ματιά στα πρώτα πράγματα, τα πρώτα πράγματα, και-για καλύτερα ή χειρότερα-πράγματα που είναι # 1.   

Μέσα σε λίγες μέρες το ένα το άλλο το 1998, δύο ομάδες δημοσίευσαν τα αποτελέσματα των πρώτων κβαντικών υπολογισμών πραγματικού κόσμου. Αλλά οι πρώτοι υπολογιστές κβάντων δεν ήταν καθόλου υπολογιστές. Ήταν εξοπλισμός βιοχημείας, βασιζόμενος στην ίδια επιστήμη με μηχανές MRI.

Μπορεί να σκεφτείτε τον κβαντικό υπολογισμό ως έναν αγώνα δρόμου μεταξύ των εταιρειών ηλεκτρονικών υπολογιστών για να δημιουργήσετε μια ισχυρή συσκευή επεξεργασίας που θα κάνει πιο realistic AI, θα φέρει επανάσταση στο φάρμακο και θα σπάσει την κρυπτογράφηση που προστατεύει τα δεδομένα μας. Και πράγματι, οι πρωτότυποι κβαντικοί υπολογιστές στα τέλη της δεκαετίας του 1990 οδήγησαν έμμεσα στους κβαντικούς υπολογιστές που κατασκευάστηκαν από την Google και την IBM. Αλλά αυτό δεν ξεκίνησε όλα - ξεκίνησε με φυσικούς να ταιριάζουν με τα μαθηματικά και τον βιοχημικό εξοπλισμό για χάρη της περιέργειας.

"Δεν ήταν κίνητρο με κανέναν τρόπο από την κατασκευή καλύτερων υπολογιστών."

"Δεν υπήρξε κίνητρο με κανέναν τρόπο με τη δημιουργία καλύτερων ηλεκτρονικών υπολογιστών", μου είπε ο Neil Gershenfeld, διευθυντής του Κέντρου για τα Bits and Atoms του MIT και μέλος μιας από τις δύο ομάδες που κατά πρώτο πειραματισμό πραγματοποίησαν κβαντικούς αλγόριθμους.   "Ήταν κατανοητό εάν το σύμπαν υπολογίζει, και πώς υπολογίζει το σύμπαν".

Οι υπολογιστές είναι απλώς συστήματα που ξεκινούν με μια αθροιστική είσοδο και εφαρμόζουν μια σειρά οδηγιών σε αυτήν για να λάβουν μια έξοδο. Οι υπολογιστές σήμερα μεταφράζουν εισόδους, οδηγίες και εξόδους σε διακόπτες, που ονομάζονται bits, που είναι ίσο είτε με μηδέν είτε με ένα και των οποίων οι τιμές ελέγχουν άλλους διακόπτες. Οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει από καιρό υπολογιστές για να προσομοιώσουν τους νόμους της φυσικής, ελπίζοντας να καταλάβουν καλύτερα πώς λειτουργεί το σύμπαν - για παράδειγμα, μπορείτε να προσομοιώσετε πόσο μακριά θα περάσει μια μπάλα με βάση το πού ξεκινά και πόσο γρήγορα ρίχνεται.

Αλλά η χρησιμοποίηση μπιτς για την προσομοίωση της φυσικής δεν έδινε νόημα στον φημισμένο φυσικό Richard Feynman, αφού οι νόμοι της φυσικής στη μικρότερη κλίμακα έχουν τις ρίζες τους σε ένα σύνολο κανόνων που ονομάζεται κβαντομηχανική. "Η φύση δεν είναι κλασσική, βλασφημία, και αν θέλετε να κάνετε μια προσομοίωση της φύσης, θα πρέπει καλύτερα να την κάνετε κβαντομηχανική", δήλωσε φημισμένα ο Feynman σε συνέδριο του 1981.

Μια μικρή ομάδα επιστημόνων θεωρημένα για τη χρήση αυτών των κανόνων για τη δημιουργία καλύτερων προσομοιώσεων κατά τη διάρκεια της επόμενης δεκαετίας. Αντί των διακοπτών, τα κομμάτια της κβαντικής προσομοίωσής τους είναι τα διπλά κύματα σωματιδίων κβαντομηχανικής. Κάθε μεμονωμένο κβαντικό κομμάτι θα εξακολουθεί να περιορίζεται σε δύο επιλογές, αλλά ως κύματα, μπορούν να πάρουν οποιαδήποτε από αυτές τις καταστάσεις ταυτόχρονα με ποικίλες δυνάμεις, αλληλεπιδρώντας μεταξύ τους όπως τα κύματα των ωκεανών - είτε ενισχύοντας την ισχύ ορισμένων συνδυασμών επιλογών ή ακυρώνοντας συνδυασμούς . Αλλά μόλις μετρήσετε αυτά τα κβαντικά δυαδικά ψηφία, ο καθένας αμέσως μπαίνει σε μια ενιαία κατάσταση. Αυτά τα πλεονεκτήματα, ή τα πλάτη, μεταφράζονται στην πιθανότητα να καταλήξουν σε κάθε αποτέλεσμα.

Μέσα στις αρχές της δεκαετίας του 1990, «οι άνθρωποι πίστευαν ότι ο κβαντικός υπολογισμός ήταν ουσιαστικά τρελός και πολλοί είχαν [υποτίθεται] αποδείξει ότι ποτέ δεν θα μπορούσε να λειτουργήσει», ο καθηγητής φυσικής του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, Jonathan Jones, ο οποίος ήταν ένας από τους πρώτους που διεξήγαγαν κβαντικούς αλγόριθμους σε έναν πραγματικό κβαντικό υπολογιστή, μου είπε. Κυρίως, οι άνθρωποι πίστευαν ότι ήταν απλώς μια περιέργεια που δημιούργησαν θεωρητικοί φυσικοί που αναρωτιούνται εάν θα μπορούσαν να καταλάβουν το ίδιο το σύμπαν στη γλώσσα των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Φαινόταν επίσης ότι η λεπτότητα της κβαντικής μηχανικής - το γεγονός ότι οποιαδήποτε ελαφριά στύση θα μπορούσε να προκαλέσει γρήγορα εύθραυστα τετράγωνα σε σωματίδια μίας μόνο κατάστασης - θα τους καθιστούσε αδύνατο να τα καταλάβουν.

Δύο ορόσημα κατέστρεψαν αυτές τις ιδέες. Ο φυσικός Peter Shor αποκάλυψε έναν αλγόριθμο το 1994 που έδειξε ότι ένας υπολογιστής που βασίζεται σε qubits θα μπορούσε να παράγει μεγάλους αριθμούς σχεδόν εκθετικά ταχύτερους από τους καλύτερους αλγόριθμους βασισμένους σε bit. Εάν οι επιστήμονες θα μπορούσαν να εφεύρουν έναν κβαντικό υπολογιστή αρκετά προηγμένο για να τρέξουν τον αλγόριθμο, τότε θα μπορούσε να σπάσει τα δημοφιλή σύγχρονα συστήματα κρυπτογράφησης βασισμένα στο γεγονός ότι είναι εύκολο για τους κλασσικούς υπολογιστές να πολλαπλασιάσουν δύο μεγάλους πρωταρχικούς αριθμούς μαζί αλλά πολύ, να επιστρέψετε στα αρχικά. Το δεύτερο σημείο καμπής ήρθε στα μέσα της δεκαετίας του '90 όταν οι φυσικοί άρχισαν να αναπτύσσουν διόρθωση σφαλμάτων - την ιδέα της εξάπλωσης μιας αξίας ενός qubit σε μια σειρά από συσχετισμένα qubits για να μειωθούν τα σφάλματα.

Αλλά ακόμα και μετά, ο τομέας ήταν μικρός και οι φυσικοί που μιλήσαμε για συζητήσεις που συζητήθηκαν κατά τις οποίες οι περισσότεροι επιστήμονες της κβαντικής πληροφορικής του κόσμου μπορούσαν να χωρέσουν μαζί σε ένα δωμάτιο. Οι πρόδρομοι της κβαντικής πληροφορικής, όπως ο Charlie Bennett, ο Isaac Chuang, ο Seth Lloyd και ο David DiVincenzo έρχονταν με πολλές νέες ιδέες που ξεχύνονται γρήγορα μέσα στην κοινότητα. Σχεδόν ταυτόχρονα, αρκετές ανεξάρτητες ομάδες συνειδητοποίησαν ότι η ιατρική και βιοχημική βιομηχανία χρησιμοποίησε εδώ και καιρό έναν κβαντικό υπολογιστή στην έρευνα-Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού ή NMR φασματόμετρα.

NMR, η τεχνολογία πίσω από τη μαγνητική τομογραφία, συνηθέστερα αποτελείται από ένα μόριο ενδιαφέροντος που διαλύεται σε ένα υγρό διαλύτη και τοποθετείται σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Οι πυρήνες των ατόμων σε αυτά τα μόρια έχουν μια έμφυτη κβαντική μηχανική ιδιότητα που ονομάζεται "spin", η οποία είναι ουσιαστικά η μικρότερη μονάδα μαγνητικών πληροφοριών και μπορεί να βρίσκεται σε οποιαδήποτε από τις δύο καταστάσεις "πάνω" ή "κάτω". την κατεύθυνση του πεδίου.

Στην ιατρική και τη βιοχημεία, οι επιστήμονες θα χτυπήσουν τα μόρια με επιπλέον μικρότερα ταλαντευόμενα μαγνητικά πεδία, που ονομάζονται παλμοί ραδιοσυχνοτήτων, προκαλώντας τα άτομα να απελευθερώσουν χαρακτηριστικά σήματα που προσφέρουν φυσικές πληροφορίες για το μόριο. Η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού ή οι μηχανές μαγνητικής τομογραφίας χρησιμοποιούν αυτό το σήμα για να δημιουργήσουν μια εικόνα. Αλλά οι φυσικοί συνειδητοποίησαν ότι θα μπορούσαν να αντιμετωπίσουν ορισμένα μόρια σε αυτό το μαγνητικό πεδίο ως κβαντικοί υπολογιστές, όπου οι πυρήνες χρησίμευσαν ως qubits, οι καταστάσεις περιστροφής ήταν τιμές qubit και οι παλμοί ραδιοσυχνότητας ήταν και οι δύο τις οδηγίες και τους ελεγκτές. Αυτές είναι οι λειτουργίες των κβαντικών υπολογιστών, που ονομάζονται επίσης λογικές πύλες όπως είναι σε κλασσικούς υπολογιστές.

"Από μία άποψη, το NMR ήταν πραγματικά μπροστά από άλλους τομείς για δεκαετίες", δήλωσε ο Jones, ένας βιοχημικός που συνεργάστηκε με τον φυσικό Michele Mosca για να εκτελέσει έναν από τους πρώτους κβαντικούς υπολογισμούς. "Είχαν κάνει λογικές πύλες πίσω στη δεκαετία του '70. Απλά δεν ήξεραν τι έκαναν και δεν το αποκαλούσαν λογικές πύλες. "

Οι φυσικοί όπως οι Chuang, Gershenfeld και David Cory κυκλοφόρησαν έγγραφα που περιγράφουν λεπτομερώς πώς να πραγματοποιήσουν αυτές τις συσκευές το 1997. Ένα χρόνο αργότερα, δύο ομάδες, η μία με τον Jones και η Mosca και η άλλη με τους Chuang και Mark Kubinic, πραγματοποίησαν τους κβαντικούς αλγόριθμους. Το πρώτο αποτελούσε μόρια κυτοσίνης όπου δύο άτομα υδρογόνου είχαν αντικατασταθεί από άτομα δευτερίου-υδρογόνο με ένα νετρόνιο. Το τελευταίο χρησιμοποίησε μόρια χλωροφορμίου. Προετοιμάζουν τα qubits σε αρχικές καταστάσεις, εκτελούν έναν υπολογισμό εφαρμόζοντας έναν ειδικά σχεδιασμένο παλμό ραδιοσυχνότητας και μετρούν τις τελικές καταστάσεις.

"Είχαν κάνει λογικές πύλες πίσω στη δεκαετία του '70. Απλά δεν ήξεραν τι έκαναν και δεν το αποκαλούσαν λογικές πύλες. "

Δεν ακούμε συχνά για τους κβαντικούς υπολογιστές NMR σήμερα, διότι ακόμη και τότε οι φυσικοί ήξεραν ότι η τεχνική είχε τα όριά της, κάτι που όλοι οι φυσικοί που μίλησα ανέφεραν. Περισσότερα qubits θα σήμαιναν περισσότερα ειδικά επεξεργασμένα μόρια. Οι τεχνικές βασίστηκαν σε ειδικές λύσεις έτσι ώστε κάθε πρόσθετο qubit να κάνει πιο δύσκολο το σήμα από το θόρυβο του περιβάλλοντος.   "Κανείς δεν πίστευε ότι θα χρησιμοποιηθεί ποτέ για κάτι παραπάνω από μια επίδειξη", δήλωσε ο Τζόουνς. Απλώς δεν ήταν κλιμακωτά πέρα ​​από μερικά qubits.

Ακόμα, ήταν σημαντικά πειράματα που οι φυσικοί εξακολουθούν να μιλάνε για σήμερα. Οι μηχανές NMR εξακολουθούν να έχουν ζωτική σημασία για τη βιοχημεία και εξακολουθούν να έχουν θέση στην κβαντική τεχνολογία. Αλλά αυτό το πρώιμο έργο έχει αφήσει σημαντικό, έμμεσο αντίκτυπο στον τομέα. Η επιστήμη πίσω από αυτούς τους παλμούς ραδιοσυχνοτήτων έζησε στους κβαντικούς υπολογιστές που έχουν χτίσει η Google, η IBM και άλλες εταιρείες προκειμένου να ελέγξουν τα qubits τους. Οι κβαντικοί υπολογιστές που τρέχουν τον αλγόριθμο Shor εξακολουθούν να υπάρχουν ακόμη δεκαετίες ακόμη και σήμερα, αλλά οι εταιρείες έχουν αρχίσει να αποκαλύπτουν πραγματικές συσκευές με δεκάδες qubits που μπορούν να εκτελέσουν υποτυπώδεις και σαφώς κβαντικούς υπολογισμούς.

Ο Charlie Bennet, βετεράνος της IBM και της κβαντικής πληροφορικής, εξήγησε ότι τα πειράματα αυτά δεν ήταν τεράστια ευρήματα από μόνοι τους και ότι η κοινότητα των NMR είχε προωθήσει τους δικούς της παλμούς επιστήμης και ραδιοσυχνότητας πριν από την κβαντική υπολογιστική παρουσίαση. Οι φυσικοί που μίλησα με εξήγησαν ότι κανείς δεν "κέρδισε" και δεν υπήρχε "φυλή" πίσω στα τέλη της δεκαετίας του 1990. Αντίθετα, ήταν ένα σημείο μετάβασης σε ένα δρόμο με βαθμιαία πρόοδο, ένα χρονικό σημείο στο οποίο όλοι οι επιστήμονες κατέληξαν να συνειδητοποιούν ότι οι άνθρωποι είχαν την τεχνολογία να ελέγχουν τις κβαντικές καταστάσεις και να τις χρησιμοποιούν για υπολογισμούς.

"Η επιστήμη είναι πάντα έτσι. Το σύνολο των στοιχείων είναι πιο σημαντικό από σχεδόν οποιοδήποτε χαρτί », δήλωσε ο Bennett. "Υπάρχουν σημαντικές ανακαλύψεις - αλλά αυτές σπάνια συμβαίνουν σε ενιαία έντυπα."

Other Ryan F. Mandelbaum's posts

Αυτό το κλειδωμένο γραφείο κρατάει την απάντηση σε μία από τις μεγαλύτερες ερωτήσεις στην σωματιδιακή φυσική Αυτό το κλειδωμένο γραφείο κρατάει την απάντηση σε μία από τις μεγαλύτερες ερωτήσεις στην σωματιδιακή φυσική

Ένας δακτύλιος 50 ποδιών που καλύπτεται από λευκή μόνωση, τοποθετείται σε συρμάτινα καλώδια, σωλήνες και άλλα ηλεκτρικά εξαρτήματα σε μια αποθήκη στ...

Χρησιμοποιώντας έναν υπολογιστή που βασίζεται στο DNA, οι επιστήμονες αποκτούν την τετραγωνική ρίζα των 900 Χρησιμοποιώντας έναν υπολογιστή που βασίζεται στο DNA, οι επιστήμονες αποκτούν την τετραγωνική ρίζα των 900

Χρησιμοποιώντας ένα σύστημα που μοιάζει με υπολογιστή που κατασκευάζεται από επεξεργασμένο DNA, οι επιστήμονες έχουν υπολογίσει την τετραγωνική ρίζα...

Η «αξιοσημείωτη» μαθηματική απόδειξη περιγράφει τον τρόπο επίλυσης του φαινομενικά αδύνατου προβλήματος υπολογιστών Η «αξιοσημείωτη» μαθηματική απόδειξη περιγράφει τον τρόπο επίλυσης του φαινομενικά αδύνατου προβλήματος υπολογιστών

Εισάγετε μια σπηλιά. Στο τέλος ενός σκοτεινού διαδρόμου, συναντάτε ένα ζευγάρι σφραγισμένων θαλάμων. Μέσα σε κάθε θάλαμο είναι ένας πολύ γνωστός μ...

Οι επιστήμονες έχτισαν ένα ρομπότ από 40 φτερά περιστεριών και πετούν όμορφα Οι επιστήμονες έχτισαν ένα ρομπότ από 40 φτερά περιστεριών και πετούν όμορφα

Οι επιστήμονες που προσπαθούν να κατανοήσουν τη μηχανική της πτητικής πτήσης έχουν κατασκευάσει PigeonBot, ένα ρομπότ από 40 φτερά περιστεριών (κα...

Suggested posts

Η έρευνα προκαλεί αμφιβολίες για τους ελλειπτικούς γαλαξίες που είναι λίκνα της ευφυούς ζωής Η έρευνα προκαλεί αμφιβολίες για τους ελλειπτικούς γαλαξίες που είναι λίκνα της ευφυούς ζωής

Ζούμε μέσα σε έναν σπειροειδή γαλαξία, αλλά μια σχολή σκέψης προτείνει ότι οι ελλειπτικοί γαλαξίες σε σχήμα οβάλ είναι πιθανότατα να φιλοξενούν ευφυε...

Τελευταία Επιστήμη Coronavirus: Καρφώνοντας το πραγματικό ποσοστό θνησιμότητας Τελευταία Επιστήμη Coronavirus: Καρφώνοντας το πραγματικό ποσοστό θνησιμότητας

Κάθε μέρα φέρνει νέες επιστημονικές γνώσεις για το covid-19 και τον κοροναϊό που το προκαλεί. Ακολουθούν μερικές από τις τελευταίες μελέτες και εξελί...

Πώληση 1,1 δισεκατομμυρίων δολαρίων. Μητρώο .Org σε ιδιωτικούς τίτλους μετοχών Ψηφίστηκε από το ICANN Πώληση 1,1 δισεκατομμυρίων δολαρίων. Μητρώο .Org σε ιδιωτικούς τίτλους μετοχών Ψηφίστηκε από το ICANN

Κάτι καλό έχει συμβεί για μία φορά: Το Internet Corp for Assigned Names and Numbers ψήφισε για να αποκλείσει τον οργανισμό εταίρο του, την Internet S...

Τηλεσκόπια σε όλο τον κόσμο Παραλαβή μυστηριώδους ραδιοφώνου από το δικό μας γαλαξία Τηλεσκόπια σε όλο τον κόσμο Παραλαβή μυστηριώδους ραδιοφώνου από το δικό μας γαλαξία

Οι αστρονόμοι μόλις εντόπισαν μια εξαιρετικά φωτεινή έκρηξη ραδιοκυμάτων που προέρχονται από τον γαλαξία μας. Η εκπληκτική παρατήρηση θα μπορούσε να ...

Ο Elon Musk προσπαθεί να σταματήσει την ερώτηση Covid-19 του δημοσιογράφου κατά τη διάρκεια της κλήσης της NASA, λέγοντας "Move On" Ο Elon Musk προσπαθεί να σταματήσει την ερώτηση Covid-19 του δημοσιογράφου κατά τη διάρκεια της κλήσης της NASA, λέγοντας "Move On"

Ο Διευθύνων Σύμβουλος της SpaceX Elon Musk επιχείρησε να παρακάμψει την ερώτηση ενός δημοσιογράφου κατά τη διάρκεια συνέντευξης Τύπου της NASA χθες, ...

Η NASA θα διαλέξει μία από αυτές τις τρεις ιδέες για αστροναύτες Lander για την αποστολή του φεγγαριού 2024 Η NASA θα διαλέξει μία από αυτές τις τρεις ιδέες για αστροναύτες Lander για την αποστολή του φεγγαριού 2024

Καθώς η NASA ετοιμάζεται να επιστρέψει τους ανθρώπους στη Σελήνη το 2024, η υπηρεσία διαστήματος αποφάσισε να ακολουθήσει την ιδιωτική διαδρομή, επιλ...

Οι μετεωρολόγοι περιγράφουν το «Gargantuan Hail» από το Epic Storm στην Αργεντινή Οι μετεωρολόγοι περιγράφουν το «Gargantuan Hail» από το Epic Storm στην Αργεντινή

Πριν από δύο χρόνια, μια σοβαρή καταιγίδα στην Αργεντινή παρήγαγε χαλάζι με πλάτος 9 ίντσες, ωθώντας τους μετεωρολόγους να προτείνουν έναν εντελώς νέ...

Δεν υπάρχουν στοιχεία για την επαναμόλυνση του Coronavirus, λένε αξιωματούχοι της Νότιας Κορέας Δεν υπάρχουν στοιχεία για την επαναμόλυνση του Coronavirus, λένε αξιωματούχοι της Νότιας Κορέας

Μερικοί ασθενείς που ανακάλυψαν το covid-19, οι οποίοι και πάλι θετικοί για τον κοροναϊό, πιθανότατα δεν είχαν μολυνθεί ξανά. Την Πέμπτη, αξιωματούχο...

Τρεις αφρικανικοί σκελετοί που βρέθηκαν στο Μεξικό δείχνουν φρίκη της πρώιμης δουλείας στον νέο κόσμο Τρεις αφρικανικοί σκελετοί που βρέθηκαν στο Μεξικό δείχνουν φρίκη της πρώιμης δουλείας στον νέο κόσμο

Τρεις σκελετοί που ανήκουν σε Αφρικανούς έχουν αποκαλυφθεί σε μαζικό τάφο στην Πόλη του Μεξικού. Αντιπροσωπεύουν μερικούς από τους πρώτους Αφρικανούς...

Οι επιστήμονες που δεν θα παραιτηθούν από το Warp Drive Οι επιστήμονες που δεν θα παραιτηθούν από το Warp Drive

Για τους περισσότερους από εμάς, το ταξίδι πιο γρήγορα από το όριο της κοσμικής ταχύτητας - την ταχύτητα του φωτός - είναι μια φαντασίωση επιστημονική...

Language