Quantum Computers Bust Probleem Conventionele Computers Kunnen Niet Oplossen

{h1}

Het gaat erom je atomen uit te smeren.

Vijftig atomen zoemen door een zak lege ruimte. Onzichtbare krachtlijnen - quantum magnetisme - keten ze samen. Jiggle een, de anderen schudden in sympathie. Bel een andere als een bel en de anderen pakken het nummer op een andere toonhoogte of een langzamere snelheid op. Elke actie op een willekeurig atoom beïnvloedt elk ander atoom in de 50. Het is een kleine wereld van zich ontvouwende subtiliteit en complexiteit.

Er zijn grenzen in onze grotere wereld die dergelijke schommelingen lastig te voorspellen maken. Niets beweegt bijvoorbeeld sneller dan de snelheid van het licht en geen bevroren punt wordt kouder dan het absolute nulpunt. Hier is nog een limiet: onze onhandige, klassieke computers kunnen niet voorspellen wat er zal gebeuren in die kleine wereld van 50 interacterende atomen.

Het probleem is niet dat onze computers niet groot genoeg zijn; als het aantal 20 atomen zou zijn, zou je de simulatie op je laptop kunnen uitvoeren. Maar ergens onderweg, terwijl de kleine wereld opzwelt tot 50 atomen, is het probleem om te voorspellen hoe ze zich te moeilijk zullen gedragen voor uw laptop of een normale computer, op te lossen. Zelfs de grootste conventionele supercomputer die de mensheid ooit zal bouwen, zou zichzelf voorgoed kwijtraken in een labyrint van berekeningen - welk antwoord het ook zou kunnen uitspugen, zou misschien niet lang na de hittedood van het universum komen. [De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde]

En toch is het probleem zojuist opgelost.

Tweemaal, eigenlijk.

Twee laboratoria, een aan Harvard en een aan de Universiteit van Maryland (UMD), bouwden machines die quantum magnetisme op deze schaal kunnen simuleren.

Hun resultaten, gepubliceerd als twin papers 29 november in het tijdschrift Nature, demonstreren de mogelijkheden van twee speciale quantumcomputers die veel verder springen dan wat een conventionele of quantumcomputer die eerder is gebouwd, heeft kunnen bereiken.

Hulpmiddelen voor de taak

Verwijzend naar de machine in zijn laboratorium, vertelde Mikhail Lukin, een van de leiders van het Harvard-team, WordsSideKick.com dat "het in feite een kwantumsimulator is".

Dat betekent dat de computer is gebouwd voor een specifieke taak: om de evolutie van kwantumsystemen te bestuderen. Het zal geen encryptiecodes breken op de banken van de wereld, de hoogste berg in een bergketen vinden of andere taken waarvoor algemene kwantumcomputers geschikt zijn afschaffen.

In plaats daarvan zijn de Harvard- en UMD-machines heel goed in het oplossen van een bepaald soort probleem: als een gecompliceerd kwantumsysteem in één staat begint, hoe gaat het dan evolueren?

Het is een enge vraag, maar door het op te lossen, zijn de onderzoekers bezig met het ontwikkelen van technologieën en het maken van nieuwe ontdekkingen in de natuurkunde die zelfs nog ingewikkelder computers mogelijk zullen maken, die nog indrukwekkender taken zullen uitvoeren.

Twee verschillende machines

De kwantumsimulators van Maryland en Harvard zijn op veel verschillende manieren vergelijkbaar. Ze lossen dezelfde soort problemen op. Ze gebruiken individuele atomen als qubits - de fundamentele eenheden van kwantumcomputers. Het gaat om dure lasers en vacuümkamers. Maar ze zijn niet hetzelfde.

In Maryland zijn de qubits ionen - elektrisch geladen atomen - van het zilverachtig witte metaal ytterbium. De onderzoekers vingen 53 van hen op hun plaats, met behulp van kleine elektroden die magnetische velden creëerden in een vacuüm dat zelfs in de ruimte veel leger was. Vervolgens sloegen ze hen met lasers op een manier waardoor ze afkoelden, totdat ze bijna stil waren. [Elementary, My Dear: 8 elementen waar je nog nooit van gehoord hebt]

De UMD-qubits hebben hun informatie diep in het atoom opgeslagen als 'spintoestanden' - speciale kwantummechanische kenmerken van kleine deeltjes.

"Het ding aan kwantumbits is dat ze al hun informatie bevatten zolang ze geïsoleerd zijn", vertelde Christopher Monroe, die het Maryland-team leiding gaf, aan WordsSideKick.com.

Maar als onderzoekers die qubits te veel laten schudden, of crashen in luchtdeeltjes of zelfs de spin-toestand van de qubit meten, dan gaan al die gegevens verloren. (Onder de breinbrekende regels die de kwantumwereld regeren, verandert het meten of zelfs observeren van een subatomair deeltje.)

Die magnetische velden pinnen de atomen op hun plaats zonder ze aan te raken, waardoor ze grotendeels ongestoord blijven.

Toen Monroe en zijn team eenmaal de ionen hadden waar ze ze wilden hebben, drongen ze erop aan, opnieuw met behulp van lasers. Die druk had echter een eigenzinnig effect.

"We passen een kracht toe op het atoom dat het atoom [verschillende manieren] duwt, afhankelijk van de spintoestand van de qubit."

Maar omdat de toestand van de qubit onbekend is, zorgen de vreemde wetten van de kwantummechanica ervoor dat het atoom tegelijkertijd in beide richtingen beweegt. Het kleine deeltje smeert zichzelf door de ruimte en verandert in een vrij grote quantummagneet die met al zijn broers en zussen in de elektrodenvanger interageert.

Als alle ionen zich op deze vreemde manier hebben verspreid en getransformeerd, reageren ze heel snel op elkaar. De onderzoekers observeren de resultaten en de simulatie is voltooid.

De Harvard-simulator

De simulator van Harvard werkt niet met ionen of elektroden.

"Wat we hebben is ongeveer 100 individuele, strak gefocuste laserstralen gericht op een vacuüm cel," zei Lukin. "In de cel bevindt zich een zeer dunne damp van rubidium-atomen."

Alsof ze een fijne optische pincet zijn, plukken die lasers individuele atomen uit de damp en vangen ze op hun plaats. En ze laten het Harvard-team hun apparaat fijn programmeren door de atomen precies in de opstelling te plaatsen die ze willen testen, voordat ze aan hun simulatie beginnen. [Beyond Higgs: 5 ongrijpbare deeltjes die zich in het heelal kunnen bevinden]

Zodra alle atomen in de ruimte zijn geplaatst en het hele systeem tot bijna-nul is afgekoeld, slaat de machine de atomen opnieuw met lasers. Deze lasers verplaatsen of koelen de atomen echter niet. In plaats daarvan zorgen ze ervoor dat ze opgewonden raken - en gaan ze iets binnen dat een Rydberg-staat wordt genoemd.

In een Rydberg-staat worden de atomen niet besmeurd tussen twee punten. In plaats daarvan zwellen ze op.

Elk atoom heeft elektronen die eromheen cirkelen, maar meestal blijven die elektronen beperkt tot strakke banen. In een Rydberg-toestand zwaaien de elektronen breder en breder, verder weg van de kern van de atomen - totdat ze paden kruisen met de andere atomen in de computersimulatie. Al deze wild opgewonden atomen bevinden zich plotseling in dezelfde ruimte, en - net als in de machine van Maryland - interactie met elkaar als kwantum magneten die de onderzoekers kunnen waarnemen.

Wat dit allemaal betekent, en waar het naartoe gaat

Een quantumsimulator van 50 qubit is interessant, maar het is nog niet ongelooflijk nuttig. Monroe zei dat de volgende stap voor zijn lab is om groter te worden, om reeksen van 50-plus-qubit-quantumsimulators te creëren die in een netwerk zijn samengevoegd om nog complexere kwantumgebeurtenissen te simuleren.

Hij zei ook dat de atoomqubits van zijn team en Harvard een routekaart bieden voor andere groepen die proberen quantummachines te bouwen.

"Het mooie aan atomaire qubits is dat ze perfect zijn," zei hij.

In tegenstelling tot meer gecompliceerde, grotere "solid-state" qubits die zijn afgedrukt op chips in laboratoria bij Google en IBM, houdt een atomaire qubit zijn informatie vast zolang deze ongestoord is.

De uitdaging voor onderzoekers zoals Monroe en Lukin is om lasers en vacuümkamers te bouwen die precies genoeg zijn om hun groeiende reeks qubits niet te verstoren.

Oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.


Video Supplement: 2015 Personality Lecture 13: Existentialism: Nazi Germany and the USSR.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com