ADVERTENTIE

Een stap dichter bij kwantumcomputer

ENGINEERING & TECHNOLOGIEEen stap dichter bij kwantumcomputer

Reeks doorbraken in quantum computing

Een gewone computer, die nu een klassieke of traditionele computer wordt genoemd, werkt volgens het basisconcept van nullen en enen (nullen en enen). Wanneer we de . vragen computer om een ​​taak voor ons uit te voeren, bijvoorbeeld een wiskundige berekening of het boeken van een afspraak of iets dat met het dagelijks leven te maken heeft, wordt deze taak op het gegeven moment omgezet (of vertaald) in een reeks nullen en enen (die dan de invoer), wordt deze invoer verwerkt door een algoritme (gedefinieerd als een reeks regels die moet worden gevolgd om een ​​taak op een computer te voltooien). Na deze verwerking wordt een nieuwe reeks van nullen en enen geretourneerd (de output genoemd), en dit codeert voor het verwachte resultaat en wordt terug vertaald naar eenvoudigere gebruiksvriendelijke informatie als een "antwoord" op wat de gebruiker wilde dat de computer deed . Het is fascinerend dat, hoe slim of slim het algoritme ook lijkt en wat de moeilijkheidsgraad van de taak ook is, een computeralgoritme slechts dit ene ding doet - het manipuleren van een reeks bits - waarbij elk bit 0 of 1 is. manipulatie gebeurt op de computer (aan de softwarekant) en op machineniveau wordt dit weergegeven door elektrische circuits (op het moederbord van de computer). In hardwareterminologie wanneer stroom door deze elektrische circuits gaat, is deze gesloten en open wanneer er geen stroom is.

Klassieke versus kwantumcomputer

Daarom is een bit in klassieke computers een enkel stuk informatie dat in twee mogelijke toestanden kan bestaan ​​- 0 of 1. Als we het echter hebben over quantum computers gebruiken ze meestal kwantumbits (ook wel 'qubits' genoemd). Dit zijn kwantumsystemen met twee toestanden, maar in tegenstelling tot de gebruikelijke bit (opgeslagen als 0 of 1), kunnen qubits veel meer informatie opslaan en kunnen ze in elke veronderstelling van deze waarden bestaan. Om het op een betere manier uit te leggen, kan een qubit worden gezien als een denkbeeldige bol, waarbij qubit elk punt op de bol kan zijn. Er kan worden gezegd dat kwantumcomputers gebruik maken van het vermogen van subatomaire deeltjes om in meer dan één toestand tegelijk te bestaan ​​en elkaar toch uit te sluiten. Aan de andere kant kan een klassiek bit zich slechts in twee toestanden bevinden, bijvoorbeeld aan het einde van twee polen van de bol. In het gewone leven zijn we niet in staat om deze 'superpositie' te zien, omdat zodra een systeem in zijn geheel wordt bekeken, deze superposities verdwijnen en dit is de reden dat het begrip van dergelijke superposities onduidelijk is.

Wat dit voor de computers betekent, is dat kwantumcomputers die qubits gebruiken een enorme hoeveelheid informatie kunnen opslaan met minder energie dan een klassieke computer, waardoor bewerkingen of berekeningen relatief veel sneller kunnen worden gedaan op een kwantumcomputer. Een klassieke computer kan dus een 0 of 1 aannemen, twee bits in deze computer kunnen in vier mogelijke toestanden zijn (00, 01, 10 of 11), maar er wordt slechts één toestand tegelijk weergegeven. Een kwantumcomputer daarentegen werkt met deeltjes die zich in superpositie kunnen bevinden, waardoor twee qubits exact dezelfde vier toestanden tegelijkertijd kunnen vertegenwoordigen vanwege de eigenschap van superpositie die de computers bevrijdt van 'binaire beperking'. Dit kan gelijk staan ​​aan vier computers die tegelijkertijd draaien en als we deze qubits bij elkaar optellen, groeit de kracht van de kwantumcomputer exponentieel. Kwantumcomputers profiteren ook van een andere eigenschap van de kwantumfysica genaamd 'kwantumverstrengeling', gedefinieerd door Albert Einstein. de ander beïnvloeden. De dubbele mogelijkheden van 'superpositie' en 'verstrengeling' zijn in principe behoorlijk krachtig. Wat een kwantumcomputer kan bereiken, is daarom onvoorstelbaar in vergelijking met klassieke computers. Dit klinkt allemaal erg spannend en eenvoudig, maar er is een probleem in dit scenario. Als een kwantumcomputer qubits (gesuperponeerde bits) als invoer gebruikt, zal de uitvoer zich ook in een kwantumtoestand bevinden, dat wil zeggen een uitvoer met gesuperponeerde bits die ook kunnen blijven veranderen, afhankelijk van de staat waarin deze zich bevindt. Dit soort uitvoer doet dat niet' We kunnen niet echt alle informatie ontvangen en daarom is de grootste uitdaging in de kunst van kwantumcomputing om manieren te vinden om zoveel mogelijk informatie uit deze kwantumoutput te halen.

Quantumcomputer zal hier zijn!

Quantumcomputers kunnen worden gedefinieerd als krachtige machines, gebaseerd op de principes van de kwantummechanica die een geheel nieuwe benadering van het verwerken van informatie hanteren. Ze proberen complexe natuurwetten te onderzoeken die altijd hebben bestaan, maar meestal verborgen zijn gebleven. Als dergelijke natuurlijke fenomenen kunnen worden onderzocht, kan kwantumcomputing nieuwe soorten algoritmen gebruiken om informatie te verwerken en dit zou kunnen leiden tot innovatieve doorbraken in materiaalwetenschap, medicijnontdekking, robotica en kunstmatige intelligentie. Het idee van een kwantumcomputer werd al in 1982 voorgesteld door de Amerikaanse theoretisch natuurkundige Richard Feynman. En tegenwoordig werken technologiebedrijven (zoals IBM, Microsoft, Google, Intel) en academische instellingen (zoals MIT en Princeton University) aan kwantumcomputers. computerprototypes om een ​​mainstream kwantumcomputer te maken. International Business Machines Corp. (IBM) heeft onlangs gezegd dat zijn wetenschappers een krachtig platform voor kwantumcomputers hebben gebouwd en dat het beschikbaar kan worden gemaakt voor toegang, maar merkt op dat het niet genoeg is om de meeste taken uit te voeren. Ze zeggen dat een prototype van 50 qubit dat momenteel wordt ontwikkeld veel problemen kan oplossen die klassieke computers vandaag en in de toekomst doen. meer berekeningen tegelijk uitvoeren dan er atomen in het bekende heelal zijn. Realistisch gezien is het pad naar waar een kwantumcomputer het bij moeilijke taken echt beter kan doen dan een klassieke computer, beladen met moeilijkheden en uitdagingen. Onlangs heeft Intel verklaard dat de nieuwe 50-qubit-quantumcomputer van het bedrijf een stap in de richting van deze "kwantumoverheersing" betekende, een belangrijke vooruitgang voor het bedrijf dat slechts 100 maanden geleden een 49-bits qubit-systeem had gedemonstreerd. Hun prioriteit is om het project te blijven uitbreiden, gebaseerd op het inzicht dat het uitbreiden van het aantal qubits de sleutel is tot het creëren van kwantumcomputers die real-world resultaten kunnen leveren.

Materiaal is de sleutel voor het bouwen van een kwantumcomputer

Het materiële silicium is al tientallen jaren een integraal onderdeel van computergebruik, omdat het door zijn belangrijkste reeks mogelijkheden zeer geschikt is voor algemeen (of klassiek) computergebruik. Wat kwantumcomputing betreft, zijn op silicium gebaseerde oplossingen echter niet aangenomen, voornamelijk om twee redenen: ten eerste is het moeilijk om qubits die op silicium zijn vervaardigd te controleren, en ten tweede is het nog steeds onduidelijk of siliciumqubits even goed kunnen schalen als andere. oplossingen. In een grote vooruitgang heeft Intel zeer recentelijk ontwikkeld1 een nieuw type qubit dat bekend staat als een 'spin-qubit' en wordt geproduceerd op conventioneel silicium. Spin-qubits lijken sterk op halfgeleiderelektronica en ze leveren hun kwantumkracht door gebruik te maken van de spin van een enkel elektron op een siliciumapparaat en de beweging te regelen met kleine microgolfpulsen. Twee grote voordelen die ertoe hebben geleid dat Intel in deze richting is gegaan, zijn ten eerste dat Intel als bedrijf al zwaar geïnvesteerd heeft in de siliciumindustrie en dus over de juiste expertise in silicium beschikt. Ten tweede zijn siliciumqubits voordeliger omdat ze kleiner zijn dan conventionele qubits, en er wordt verwacht dat ze voor een langere periode coherent blijven. Dit is van het grootste belang wanneer kwantumcomputersystemen moeten worden opgeschaald (bijvoorbeeld van 100 qubit naar 200 qubit). Intel test dit prototype en het bedrijf verwacht chips te produceren met duizenden kleine qubit-arrays en een dergelijke productie, wanneer deze in bulk wordt gedaan, kan zeer goed zijn voor het opschalen van de kwantumcomputers en kan een echte gamechanger zijn.

In een recent onderzoek gepubliceerd in Wetenschap, een nieuw ontworpen patroon voor fotonische kristallen (dwz een kristalontwerp geïmplementeerd op een fotonische chip) is ontwikkeld door een team aan de Universiteit van Maryland, VS, waarvan zij beweren dat het kwantumcomputers toegankelijker zal maken2. Deze fotonen zijn de kleinste hoeveelheid licht die we kennen en deze kristallen waren verankerd met gaten die ervoor zorgen dat het licht op elkaar inwerkt. Verschillende gatenpatronen veranderen de manier waarop het licht door het kristal buigt en weerkaatst en hier werden duizenden driehoekige gaten gemaakt. Een dergelijk gebruik van enkele fotonen is belangrijk voor het proces van het maken van kwantumcomputers, omdat de computers dan in staat zullen zijn om grote aantallen en chemische reacties te berekenen die huidige computers niet kunnen doen. Door het ontwerp van de chip kan de overdracht van fotonen tussen kwantumcomputers zonder verlies plaatsvinden. Dit verlies wordt ook gezien als een grote uitdaging voor kwantumcomputers en daarom zorgt deze chip voor het probleem en maakt een efficiënte route van quantum informatie van het ene systeem naar het andere.

toekomst

Quantumcomputers beloven berekeningen uit te voeren die veel verder gaan dan welke conventionele supercomputer dan ook. Ze hebben de potentie om een ​​revolutie teweeg te brengen in de ontdekking van nieuwe materialen door het mogelijk te maken het gedrag van materie tot op atomair niveau te simuleren. Het bouwt ook hoop op voor kunstmatige intelligentie en robotica door gegevens sneller en efficiënter te verwerken. Het leveren van een commercieel levensvatbaar kwantumcomputersysteem zou in de komende jaren door een van de grote organisaties kunnen worden gedaan, aangezien dit onderzoek nog steeds een open einde heeft en een eerlijk spel voor iedereen. In de komende vijf tot zeven jaar worden belangrijke aankondigingen verwacht en idealiter gezien de reeks vorderingen die worden gemaakt, zouden technische problemen moeten worden aangepakt en zou een kwantumcomputer van 1 miljoen of meer qubits een realiteit moeten zijn.

***

{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}

Bron (nen)

1. Castelvecchi D. 2018. Silicium wint terrein in de race voor kwantumcomputers. Natuur. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3

2. Sabyasachi B. et al. 2018. Een topologische kwantumoptica-interface. Wetenschap. 359(6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327

SCIEU-team
SCIEU-teamhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
Wetenschappelijk Europees® | SCIEU.com | Aanzienlijke vooruitgang in de wetenschap. Impact op de mensheid. Inspirerende geesten.

Schrijf je in voor onze Nieuwsbrief!

Om op de hoogte te blijven van het laatste nieuws, aanbiedingen en speciale aankondigingen.

- Advertentie -

Meest populaire artikelen

Kosteneffectieve manier om planten om te zetten in hernieuwbare energiebronnen

Wetenschappers hebben een nieuwe technologie aangetoond waarin bio-engineering...

DNA-origami-nanostructuren voor de behandeling van acuut nierfalen

Een nieuwe studie op basis van nanotechnologie schept hoop voor...

Sun Pharma presenteert gegevens en biedt inzichten voor de behandeling van mensen met of risico op...

Sun Pharma heeft gegevens gepresenteerd over ODOMZO® (geneesmiddel voor...
- Advertentie -
97,923FansLike
62,759volgersVolg
1,904volgersVolg
31abonneesInschrijven