LOADING ...

Asal-usul yang tidak mungkin dari Komputer Kuantum Pertama

Ryan F. Mandelbaum Mar 01, 2019. 0 comments
gizmodo-saturated.png Mulailah Minggu ini kita melihat perkara pertama, perkara awal, dan-untuk lebih baik atau lebih buruk-perkara yang # 1.   

Dalam masa beberapa hari sejak tahun 1998, dua pasukan menerbitkan hasil pengiraan kuantum dunia sebenar. Tetapi komputer kuantum pertama bukan komputer sama sekali. Mereka adalah peralatan biokimia, bergantung kepada sains yang sama seperti mesin MRI.

Anda mungkin berfikir pengkomputeran kuantum sebagai perlumbaan hyped-up di antara syarikat komputer untuk membina peranti pemprosesan yang kuat yang akan menjadikan AI yang lebih hidup, merevolusikan ubat, dan menghancurkan enkripsi yang melindungi data kami. Dan sememangnya, komputer kuantum prototaip akhir 1990-an tidak langsung membawa kepada komputer kuantum yang dibina oleh Google dan IBM. Tetapi itu bukan bagaimana ia bermula - ia bermula dengan ahli fizik yang berkemahiran dengan peralatan matematik dan biokimia untuk kepentingan rasa ingin tahu.

"Ia tidak termotivasi dalam apa jua cara dengan menjadikan komputer lebih baik."

"Ia tidak termotivasi dalam apa cara sekalipun dengan membuat komputer lebih baik," kata Neil Gershenfeld, pengarah Pusat BIT dan Atom MIT dan ahli salah satu daripada kedua-dua pasukan yang mula-mula menyelidiki algoritma kuantum yang pertama.   "Ia adalah pemahaman sama ada alam semesta mengira, dan bagaimana alam semesta dikira."

Komputer adalah hanya sistem yang bermula dengan input abstrak dan menggunakan siri arahan untuk itu untuk menerima output. Komputer hari ini menerjemahkan masukan, arahan, dan output ke suis, yang dipanggil bit, sama dengan sifar atau satu dan nilai-nilainya mengawal suis lain. Para saintis telah lama menggunakan komputer untuk mensimulasikan undang-undang fizik, dengan harapan untuk lebih memahami bagaimana alam semesta berfungsi-sebagai contoh, anda boleh meniru sejauh mana bola akan berjalan berdasarkan di mana ia bermula dan berapa cepat ia dibuang.

Tetapi menggunakan bit untuk mensimulasikan fizik tidak masuk akal kepada ahli fizik terkenal Richard Feynman, kerana undang-undang fizik pada skala yang paling kecil berakar dalam satu set peraturan yang disebut mekanik kuantum. "Alam tidak klasik, tidak percaya, dan jika anda ingin membuat penyelakuan alam semula jadi, anda lebih baik menjadikannya mekanik kuantum," kata Feynman pada konferensi 1981.

Satu kumpulan saintis kecil berteori tentang menggunakan peraturan ini untuk menghasilkan simulasi yang lebih baik dalam dekad berikut. Daripada suis, bit simulasi kuantum mereka adalah gelombang dua zarah mekanik kuantum. Setiap bit kuantum individu masih boleh dihadkan kepada dua pilihan, tetapi sebagai gelombang, mereka boleh mengambil salah satu daripada kedua-dua keadaan ini secara serentak dengan kekuatan yang berlainan, berinteraksi dengan satu sama lain seperti gelombang lautan-sama ada menguatkan kekuatan kombinasi pilihan tertentu atau membatalkan kombinasi . Tetapi apabila anda mengukur bit kuantum ini, setiap orang segera terkunci ke dalam satu keadaan. Kekuatan, atau amplitud tersebut, diterjemahkan ke dalam kebarangkalian berakhir dengan setiap hasil.

Melalui awal 1990-an, "orang menganggap bahawa pengkomputeran kuantum pada dasarnya gila, dan banyak yang [membuktikan] ia tidak dapat berfungsi," kata Jonathan Jones, seorang profesor fizik di University of Oxford yang merupakan salah satu yang pertama menjalankan algoritma kuantum pada komputer kuantum sebenar, memberitahu saya. Terutamanya, orang menyangka ia hanya ingin tahu yang dibuat oleh ahli fizik teori yang tertanya-tanya sama ada mereka dapat memahami alam semesta itu sendiri dalam bahasa komputer. Ia juga seolah-olah kesempurnaan mekanik kuantum-hakikat bahawa mana-mana jostle yang sedikit dapat dengan cepat melumpuhkan qubit rapuh ke dalam zarah-zarah tunggal-akan menjadikan mereka mustahil untuk menyedari.

Dua tonggak telah menumpaskan idea-idea itu. Ahli fizik Peter Shor melancarkan algoritma pada tahun 1994 yang menunjukkan bahawa komputer berdasarkan qubit boleh memperlihatkan bilangan besar yang hampir dengan eksponen lebih cepat daripada algoritma berasaskan bit terbaik. Sekiranya saintis boleh mencipta komputer kuantum yang cukup maju untuk menjalankan algoritma, maka ia boleh memecahkan sistem penyulitan moden moden berdasarkan fakta bahawa mudah bagi komputer klasik untuk melipatgandakan dua nombor perdana yang besar bersama-sama tetapi sangat sukar untuk mempengaruhi hasilkan semula ke dalam prima. Titik perubahan kedua datang pada pertengahan 90-an apabila ahli fizikal mula membetulkan pembetulan kesilapan-ide untuk menyebarkan maklumat qubit tunggal dalam satu siri qubit berkorelasi untuk mengurangkan kesilapan.

Tetapi selepas itu, bidang itu kecil, dan ahli fizik kami bercakap mengenai konferensi yang membincangkan di mana kebanyakan saintis pengkomputeran kuantum dunia boleh muat di dalam bilik bersama. Pelopor pengkomputeran kuantum seperti Charlie Bennett, Isaac Chuang, Seth Lloyd, dan David DiVincenzo datang dengan banyak idea baru yang berpotongan dengan cepat melalui komuniti. Hampir serentak, beberapa kumpulan bebas menyedari bahawa industri perubatan dan biokimia telah lama menggunakan komputer kuantum dalam penyelidikan-Resonans Magnetik Nuklear, atau spektrometer NMR.

NMR, teknologi di belakang MRI, yang paling umum terdiri daripada molekul kepentingan yang dibubarkan dalam pelarut cecair, diletakkan dalam medan magnet yang kuat. Nukleus atom-atom dalam molekul-molekul ini mempunyai sifat mekanik kuantum semula jadi yang dipanggil "spin," yang pada dasarnya adalah unit terkecil maklumat magnetik, dan boleh berada di salah satu daripada dua keadaan, "naik" atau "bawah." Putaran ini sejajar dengan arah medan.

Dalam bidang perubatan dan biokimia, ahli sains akan memukul molekul dengan medan magnet yang lebih kecil yang lebih kecil, yang dipanggil denyutan frekuensi radio, menyebabkan atom melepaskan isyarat ciri yang menawarkan maklumat fizikal mengenai molekul. Pencitraan resonans magnetik atau mesin MRI sebaliknya menggunakan isyarat ini untuk membuat gambar. Tetapi fizik menyedari bahawa mereka boleh merawat molekul tertentu dalam medan magnet ini sebagai komputer kuantum, di mana nuklei berkhidmat sebagai qubit, spin menyatakan nilai qubit, dan denyutan frekuensi radio keduanya arahan dan pengawal. Ini adalah operasi komputer kuantum, juga dipanggil pintu-pintu logik kerana mereka berada dalam komputer klasik.

"Secara semulajadi, NMR sebenarnya telah mendahului bidang lain selama beberapa dekad," kata Jones, ahli biokimia yang bekerjasama dengan ahli fizik Michele Mosca untuk melakukan salah satu pengiraan kuantum yang pertama. "Mereka telah melakukan pintu masuk logik pada tahun 70-an. Mereka hanya tidak tahu apa yang mereka lakukan dan tidak memanggilnya pintu masuk logik. "

Ahli fizikal termasuk Chuang, Gershenfeld dan David Cory mengeluarkan kertas kerja yang memperincikan cara merealisasikan peranti ini pada tahun 1997. Setahun kemudian, dua pasukan, satu dengan Jones dan Mosca dan yang lain dengan Chuang dan Mark Kubinic, sebenarnya melakukan algoritma kuantum. Yang pertama terdiri daripada molekul sitosin di mana dua atom hidrogen telah digantikan dengan deuterium atom-hidrogen dengan neutron. Yang kedua menggunakan molekul kloroform. Mereka menyediakan qubit ke dalam keadaan awal, melakukan pengiraan dengan menggunakan denyutan frekuensi radio yang direka khas, dan mengukur keadaan akhir.

"Mereka telah melakukan pintu masuk logik pada tahun 70-an. Mereka hanya tidak tahu apa yang mereka lakukan dan tidak memanggilnya pintu masuk logik. "

Kami tidak sering mendengar tentang komputer kuantum NMR hari ini, kerana walaupun begitu, ahli fizik tahu bahawa teknik itu mempunyai had, sesuatu yang semua ahli fizik yang saya sebutkan disebutkan. Lebih banyak qubit bermakna lebih banyak molekul yang direka khas. Teknik-teknik ini bergantung pada penyelesaian khas supaya setiap qubit tambahan akan membuatnya lebih sukar untuk memilih isyarat dari bunyi latar belakang.   "Tiada siapa yang fikir ia akan digunakan untuk lebih daripada demonstrasi," kata Jones. Mereka hanya tidak berskala melebihi beberapa qubit.

Namun, mereka adalah eksperimen penting yang ahli fizik masih bercakap tentang hari ini. Mesin NMR kekal penting untuk biokimia dan masih mempunyai tempat dalam teknologi kuantum. Tetapi kerja awal ini telah meninggalkan kesan yang penting dan tidak langsung di lapangan. Sains di sebalik denyutan frekuensi radio ini telah hidup dalam komputer kuantum yang Google, IBM, dan syarikat lain telah membina untuk mengawal qubit mereka. Komputer kuantum yang menjalankan algoritma Shor masih beberapa dekad walaupun hari ini, tetapi syarikat telah mula meluncurkan peranti sebenar dengan berpuluh-puluh qubit yang dapat melakukan pengiraan yang tidak teratur dan jelas.

Charlie Bennet, veteran pengkomputeran dan pengkomputeran kuantum IBM, menjelaskan bahawa eksperimen-eksperimen ini bukanlah penemuan yang luar biasa, dan sesungguhnya komuniti NMR telah memajukan denyutan sains dan frekuensi radionya sendiri sebelum pengkomputeran kuantum datang. Para ahli fizik yang saya bicarakan menjelaskan bahawa tiada siapa yang "menang" dan tidak ada "bangsa" kembali pada akhir 1990-an. Sebaliknya, ia adalah titik peralihan di sepanjang jalan kemajuan bertambah, satu titik di mana kumpulan saintis semua menyedari bahawa manusia mempunyai teknologi untuk mengawal keadaan kuantum dan menggunakannya untuk pengiraan.

"Sains selalu seperti itu. Keseluruhan bukti lebih penting daripada hampir satu kertas, "kata Bennett. "Terdapat penemuan penting-tetapi ini jarang berlaku dalam kertas tunggal."

Other Ryan F. Mandelbaum's posts

'Luar Biasa' Bukti Matematik Menerangkan Cara Menyelesaikan Masalah Pengkomputeran yang Tidak Dapat Diatasi 'Luar Biasa' Bukti Matematik Menerangkan Cara Menyelesaikan Masalah Pengkomputeran yang Tidak Dapat Diatasi

Anda memasuki gua. Di hujung koridor gelap, anda menghadapi sepasang bilik tertutup. Di dalam setiap bilik adalah ahli sihir yang tahu sepenuhnya....

Para saintis membina Robot Dari 40 Bulu Merpati dan Ia Lalat Indah Para saintis membina Robot Dari 40 Bulu Merpati dan Ia Lalat Indah

Para saintis yang ingin memahami mekanik penerbangan burung telah dibina PigeonBot, robot yang dibuat dari 40 bulu burung merpati (dan beberapa ko...

Tuntutan Kajian Baru untuk Membantah Tenaga Gelap - Tetapi Pakar Kosmologi Tidak Dipercayai Tuntutan Kajian Baru untuk Membantah Tenaga Gelap - Tetapi Pakar Kosmologi Tidak Dipercayai

Akan benar-benar, benar-benar menarik jika pemerhatian tunggal benar-benar boleh membalikkan pemahaman astrofizik semasa alam semesta. Tetapi itu b...

Seorang Collider Zarah Baharu Baru Akan Datang ke New York Seorang Collider Zarah Baharu Baru Akan Datang ke New York

The U. S. Jabatan Tenaga telah membuat keputusan mengenai lokasi terakhir pembanting zarah Amerika yang akan datang: Brookhaven National Lab di ...

Suggested posts

Penyelidikan menimbulkan keraguan pada galaksi elips yang menjadi buaian kehidupan pintar Penyelidikan menimbulkan keraguan pada galaksi elips yang menjadi buaian kehidupan pintar

Kita tinggal di dalam galaksi lingkaran, tetapi satu aliran pemikiran menunjukkan galaksi elips berbentuk bujur kemungkinan besar menjadi tuan rumah ...

Sains Coronavirus Terkini: Menurunkan Kadar Kematian Sebenar Sains Coronavirus Terkini: Menurunkan Kadar Kematian Sebenar

Setiap hari membawa pandangan saintifik baru mengenai covid-19 dan coronavirus yang menyebabkannya. Berikut adalah beberapa kajian dan perkembangan t...

Jualan $ 1.1 Billion Pendaftaran .Org ke Lintah Ekuiti Swasta Diturunkan oleh ICANN Jualan $ 1.1 Billion Pendaftaran .Org ke Lintah Ekuiti Swasta Diturunkan oleh ICANN

Sesuatu yang baik telah berlaku untuk sekali: Internet Corp untuk Nama dan Nombor yang Ditugaskan memilih untuk menyekat organisasi rakan kongsinya, ...

Teleskop Di Seluruh Dunia Mendapatkan Radio Misteri Meletup Dari Galaksi Kita Sendiri Teleskop Di Seluruh Dunia Mendapatkan Radio Misteri Meletup Dari Galaksi Kita Sendiri

Ahli astronomi baru sahaja melihat gelombang radio yang sangat terang yang keluar dari galaksi kita sendiri. Pemerhatian yang mengejutkan dapat memba...

Elon Musk Cuba Menghentikan Soalan Covid-19 Wartawan Semasa Panggilan NASA, Mengatakan 'Move On' Elon Musk Cuba Menghentikan Soalan Covid-19 Wartawan Semasa Panggilan NASA, Mengatakan 'Move On'

Ketua Pegawai Eksekutif SpaceX, Elon Musk, cuba menangkis pertanyaan wartawan semasa sidang media NASA semalam, dengan mengatakan "teruskan."Sidang a...

NASA Akan Memilih Salah Satu dari Tiga Konsep Pendarat Angkasawan untuk Misi Bulan 2024 NASA Akan Memilih Salah Satu dari Tiga Konsep Pendarat Angkasawan untuk Misi Bulan 2024

Ketika NASA bersiap untuk mengembalikan manusia ke Bulan pada tahun 2024, agensi angkasa telah memutuskan untuk mengambil jalan pribadi, memilih tiga...

Ahli Meteorologi Menghuraikan 'Gargantuan Hail' Dari Ribut Epik di Argentina Ahli Meteorologi Menghuraikan 'Gargantuan Hail' Dari Ribut Epik di Argentina

Dua tahun yang lalu, badai yang teruk di Argentina menghasilkan batu hujan es selebar 9 inci, mendorong ahli meteorologi untuk mengusulkan istilah ya...

Tidak Ada Bukti Reinfeksi Coronavirus, Kata Pegawai Korea Selatan Tidak Ada Bukti Reinfeksi Coronavirus, Kata Pegawai Korea Selatan

Sebilangan pesakit covid-19 yang pulih yang sekali lagi didapati positif coronavirus kemungkinan tidak dijangkiti semula. Pada hari Khamis, pegawai K...

Tiga Kerangka Afrika yang Ditemui di Mexico Menunjukkan Kengerian Kehambaan Awal di Dunia Baru Tiga Kerangka Afrika yang Ditemui di Mexico Menunjukkan Kengerian Kehambaan Awal di Dunia Baru

Tiga kerangka kepunyaan individu Afrika telah ditemui di sebuah kubur besar di Mexico City. Mereka mewakili beberapa orang Afrika pertama yang dipind...

Para Saintis yang Tidak Akan Menyerah pada Warp Drive Para Saintis yang Tidak Akan Menyerah pada Warp Drive

Bagi kebanyakan kita, perjalanan lebih cepat daripada had kelajuan kosmik - kelajuan cahaya - adalah fantasi fiksyen ilmiah yang memecahkan asas fizik...

Language