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최초의 양자 컴퓨터의 기원

Ryan F. Mandelbaum Jan 02, 2019. 6 comments
gizmodo-saturated.png 첫 번째 이번 주에 우리는 첫 번째 일, 초기 일, 그리고 더 나은 또는 더 나쁜 것을 위해 # 1 인 것을 살펴 봅니다.   

1998 년 서로 며칠 만에 두 팀은 최초의 실제 양자 계산 결과를 발표했습니다. 그러나 최초의 양자 컴퓨터는 전혀 컴퓨터가 아니 었습니다. 그들은 MRI 기계와 동일한 과학에 의존하는 생화학 장비였습니다.

양자 컴퓨팅을 컴퓨터 회사들 사이에서 과장된 경쟁으로 생각하면보다 생생한 AI를 만들고 의학을 혁신하며 데이터를 보호하는 암호화를 해독하는 강력한 처리 장치를 구축 할 수 있습니다. 실제로 1990 년대 후반의 프로토 타입 양자 컴퓨터는 Google과 IBM이 구축 한 양자 컴퓨터로 간접적으로 이어졌습니다. 그러나 그것이 모든 것이 시작된 방식은 아닙니다. 그것은 물리학 자들이 호기심을 위해서 수학과 생화학 장비를 다루는 것부터 시작했습니다.

"더 나은 컴퓨터를 만들어서 어떤 식 으로든 동기를 부여받지 못했습니다."

MIT의 비트 및 원자 센터 (Center for Bits and Atoms) 소장이자 양자 알고리즘을 실험적으로 실현 한 두 팀 중 하나 인 Neil Gershenfeld는“어떻게 든 더 나은 컴퓨터를 만들어서 동기 부여가되지 않았다”고 말했다.   "우주가 계산되는지, 어떻게 계산하는지 이해하고있었습니다."

컴퓨터는 추상화 된 입력으로 시작하고 출력을 받기 위해 일련의 명령을 적용하는 시스템 일뿐입니다. 오늘날의 컴퓨터는 입력, 명령어 및 출력을 비트라고하는 스위치 (0 또는 1과 같고 다른 스위치를 제어하는 ​​값)로 변환합니다. 과학자들은 우주의 작동 원리를 더 잘 이해하기 위해 오랫동안 컴퓨터를 사용하여 물리 법칙을 시뮬레이션했습니다. 예를 들어 공이 시작되는 위치와 던지는 속도에 따라 공이 얼마나 멀리 갈지 시뮬레이션 할 수 있습니다.

그러나 물리를 시뮬레이션하기 위해 비트를 사용하는 것은 유명한 물리학 자 Richard Feynman에게는 그다지 의미가 없었습니다. 왜냐하면 가장 작은 물리 법칙은 양자 역학이라는 규칙에 뿌리를두고 있기 때문입니다. 페인 만은 1981 년 컨퍼런스에서“자연은 고전적이지 않고, 절망적이지 않으며, 자연의 시뮬레이션을 원한다면 양자 역학적으로 만드는 것이 낫다” 고 말했다 .

소량의 과학자들이이 규칙을 사용하여 10 년 동안 더 나은 시뮬레이션을 만드는 것에 대해 이론을 세웠습니다. 스위치 대신 양자 시뮬레이션 비트는 양자 역학의 이중 입자 파동입니다. 각각의 개별 양자 비트는 여전히 두 가지 선택으로 제한 될 것이지만, 파도로서, 다양한 강도로 동시에 이들 상태 중 하나를 취할 수 있으며, 파도와 같이 서로 상호 작용할 수 있습니다. 특정 선택 조합의 강도를 증폭 시키거나 조합을 취소합니다. . 그러나 일단 이러한 양자 비트를 측정하면 각각의 단일 비트에 즉시 스냅됩니다. 이러한 강점 또는 진폭은 각 결과로 끝날 확률로 변환됩니다.

양자 알고리즘을 최초로 실행 한 옥스포드 대학의 물리학 교수 조나단 존스 (Jonathan Jones)는 1990 년대 초,“사람들은 양자 컴퓨팅이 본질적으로 화가 났다고 생각했으며 많은 사람들이 그것이 결코 작동하지 않을 것임을 증명했다”고 말했다. 실제 양자 컴퓨터에서 주로 사람들은 그것이 컴퓨터 언어로 우주 자체를 이해할 수 있는지 궁금해하는 이론 물리학 자들이 만든 호기심이라고 생각했습니다. 또한 양자 역학의 약점, 즉 약간의 충격이 깨지기 쉬운 큐 비트를 단일 상태 입자로 빠르게 짤 수 있다는 사실로 인해이를 실현할 수 없게 될 것으로 보입니다.

두 가지 이정표가 그 아이디어를 분열시켰다. 물리학 자 피터 쇼어 (Peter Shor)는 1994 년에 큐 비트 기반의 컴퓨터가 최고의 비트 기반 알고리즘보다 기하 급수적으로 빠른 숫자를 고려할 수있는 알고리즘을 발표했습니다. 과학자들이 알고리즘을 실행하기에 충분한 고급 양자 컴퓨터를 발명 할 수 있다면, 고전적인 컴퓨터가 두 개의 큰 소수를 곱하기는 쉽지만 사실을 결정하기는 매우 어렵다는 사실에 기초하여 인기있는 현대 암호화 시스템을 해독 할 수 있습니다 다시 소수로 돌아갑니다. 두 번째 전환점은 물리학 자들이 오류 수정을 개발하기 시작한 90 년대 중반에 시작되었습니다. 즉, 오류를 줄이기 위해 단일 큐 비트의 정보를 일련의 상관 된 큐 비트에 분산시키는 아이디어입니다.

그러나 그 이후에도 그 분야는 작았고, 우리는 물리학 자들이 세계 양자 컴퓨팅 과학자들 대부분이 한 방에 함께 들어갈 수있는 회의에 관해 이야기했습니다. Charlie Bennett, Isaac Chuang, Seth Lloyd 및 David DiVincenzo와 같은 양자 컴퓨팅 선구자들은 커뮤니티를 통해 빠르게 퍼져 나간 많은 새로운 아이디어를 내놓았습니다. 거의 동시에 여러 독립적 인 그룹이 의료 및 생화학 산업이 오랫동안 핵 자기 공명 (NMR) 분석기에서 양자 컴퓨터를 사용해 왔다는 것을 깨달았습니다.

MRI의 기술인 NMR은 가장 일반적으로 액체 자기에 용해되어 강한 자기장에 놓인 관심 분자로 구성됩니다. 이 분자에서 원자의 핵은 본질적으로 가장 작은 자기 정보 단위 인“스핀”이라고하는 선천적 양자 역학적 성질을 가지며,“위”또는“아래”의 두 상태 중 하나 일 수 있습니다. 필드의 방향.

의학 및 생화학에서 과학자들은 고주파 펄스라고 불리는 추가적인 작은 진동 자기장으로 분자에 부딪쳐 원자가 분자에 대한 물리적 정보를 제공하는 특성 신호를 방출하게합니다. 자기 공명 영상 또는 MRI 기계는 대신이 신호를 사용하여 그림을 만듭니다. 그러나 물리학 자들은이 자기장의 특정 분자를 양자 컴퓨터로 취급 할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 핵 컴퓨터는 핵이 큐 비트 역할을하고, 스핀 상태는 큐 비트 값이었고, 고주파 펄스는 둘 다였습니다. 지침 및 컨트롤러. 이들은 양자 컴퓨터의 작동이며, 고전 컴퓨터에서와 같이 논리 게이트라고도합니다.

물리학자인 Michele Mosca와 협력하여 최초의 양자 계산 중 하나를 수행 한 생화학자인 Jones는“어떤 의미에서 NMR은 실제로 수십 년 동안 다른 분야보다 앞서있었습니다. “70 년대에 논리 문을 되찾았습니다. 그들은 자신이 무엇을하고 있는지 알지 못했고 논리 문이라고 부르지 않았습니다.”

Chuang, Gershenfeld 및 David Cory를 포함한 물리학 자들은 1997 년에 이러한 장치를 구현하는 방법을 자세히 설명하는 논문을 발표했습니다. 1 년 후, Jones와 Mosca와 Chuang과 Mark Kubinic의 두 팀이 실제로 양자 알고리즘을 수행했습니다. 전자는 2 개의 수소 원자가 중수소를 갖는 수소 인 중수소 원자로 대체 된 시토신 분자로 구성되었다. 후자는 클로로포름 분자를 사용했다. 그들은 큐 비트를 초기 상태로 준비하고 특수하게 조작 된 고주파 펄스를 적용하여 계산을 수행하고 최종 상태를 측정했습니다.

“70 년대에 논리 문을 되찾았습니다. 그들은 자신이 무엇을하고 있는지 알지 못했고 논리 문이라고 부르지 않았습니다.”

우리는 오늘날 NMR 양자 컴퓨터에 대해 종종 듣지 못합니다. 그때조차도 물리학자는 기술에 한계가 있음을 알고 있었기 때문에 제가 이야기 한 모든 물리학자가 언급했습니다. 큐빗이 많을수록 더 특수하게 조작 된 분자를 의미합니다. 이 기법들은 특별한 해결 방법에 의존하여 각각의 추가 큐 비트가 백그라운드 노이즈에서 신호를 선택하기 어렵게 만들었습니다.   "아무도 시연 이상으로 사용될 것이라고 생각하지 않았습니다"라고 Jones는 말했습니다. 그들은 단지 몇 큐빗 이상으로 확장 할 수 없었습니다.

여전히, 그들은 물리학 자들이 오늘날에도 여전히 이야기하고있는 중요한 실험이었습니다. NMR 기계는 생화학에 여전히 중요하며 여전히 양자 기술 분야에 있습니다. 그러나이 초기 연구는 현장에 중요하고 간접적 인 영향을 미쳤습니다. 이러한 무선 주파수 펄스의 배후 과학은 Google, IBM 및 기타 회사에서 큐 비트를 제어하기 위해 구축 한 양자 컴퓨터에서 살아 왔습니다. Shor의 알고리즘을 실행하는 퀀텀 컴퓨터는 오늘날에도 여전히 수십 년이나 떨어져 있지만 회사는 기초적이고 명확하게 퀀텀 계산을 수행 할 수있는 수십 큐 비트의 실제 장치를 공개하기 시작했습니다.

IBM의 동료이자 양자 컴퓨팅 베테랑 인 Charlie Bennet은 이러한 실험이 그 자체로 엄청난 발견이 아니며 실제로 NMR 커뮤니티가 양자 컴퓨팅이 시작되기 전에 자체 과학 및 무선 주파수 펄스를 진전시키고 있다고 설명했습니다. 내가 이야기했던 물리학 자들은 1990 년대 후반에 "승리 한"사람과 "인종"이 없다고 설명했다. 그 대신, 점진적인 발전의 길을 따라 전환점이되었으며, 과학자 그룹이 모두 인간이 양자 상태를 제어하고 계산에 사용하는 기술을 가지고 있다는 사실을 깨닫게되었습니다.

“과학은 항상 그런 식입니다. 모든 증거는 거의 모든 논문보다 중요합니다.”라고 Bennett은 말했습니다. "중요한 발견이 있지만 단일 논문에서는 거의 발생하지 않습니다."

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